OSLiB - Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb

Abstract

Im Projekt „Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb“ (OSLiB) sollten von der Zelle bis hin zum System sicherheitskritische Zustände für Lithium-Ionen-Batterien evaluiert werden. Die Arbeiten starteten ausgehend von eigens gefertigten Zellen mit abweichenden Produktionsparametern, wie z.B. unvollständiger Elektrolytbenetzung oder fehlerhafter Elektrodenpositionierung, um alterungsbedingte Effekte in Zellen nachzubilden, die in der Anwendung sicherheitsrelevante Auswirkungen, wie Lithiummetall-Deposition, nach sich ziehen. Gemeinsam mit als Referenz dienenden kommerziellen Zellen sollten Diagnoseverfahren geprüft werden, um etwaige Auswirkungen fehlerbehafteter Zellen und Module zu erfassen. Das FZJ trug im Wesentlichen dazu bei, angewandte Diagnoseverfahren mit NMR-basierter chemischer (Zell-)Analyse möglichst quantitativ zu validieren. Die vereinbarten Produktionsmängel bei Zellfertigung und verschiedenen Methoden der Projektpartner konnten dabei erfolgreich auf NMR-Dünnfilmzellen übertragen werden. Erste Prototypen von NMR-Dünnfilmmodulen wurden etabliert und die vereinbarten Fehler entsprechend integriert. Die jeweiligen Lithiummetallmengen über einen Batterielebenszyklus bei verschiedenen Ladearten konnten in-situ beobachtet und quantifiziert werden. Auch wurden die Evolution der Morphologie sowie der Reversibilität des Li-Inventars betrachtet. Die in-situ Quantifizierung der auf Graphit abgeschiedenen Lithiummetallmengen stellte eine deutliche Herausforderung dar, jedoch konnten die Projektziele und Meilensteine mit geringen Abweichungen erfüllt werden, einschließlich der Quantifizierung des abgeschiedenem Li-Metalls und der Anteile an nicht-reversiblen „Totlithium“. Damit konnten diagnostische Methoden auf Zell und Modulebene erfolgreich zur Bewertung sicherheitsrelevanter Auswirkungen abweichender Produktionsparameter validiert und prinzipiell für andere Metall-basierte Zellchemie(n) zugänglich gemacht werden. Datei-Upload durch TIB In the project “Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb” (OSLiB), safety-critical conditions for lithiumion batteries were evaluated from the cell to the system. The work started with specially manufactured cells with deviating production parameters, such as incomplete electrolyte wetting or incorrect electrode positioning, in order to simulate ageing-related effects in cells that have safety-relevant consequences in the application, such as lithium metal deposition. Together with commercial cells serving as a reference, diagnostic procedures were tested in order to detect any effects of defective cells and modules. The FZJ essentially contributed to validating applied diagnostic procedures with NMR-based chemical (cell) analysis as quantitatively as possible. The agreed production deficiencies in cell manufacturing and various methods of the project partners were successfully transferred to NMR thin-film cells. The first prototypes of NMR thin-film modules were established and the agreed defects integrated accordingly. The respective lithium metal quantities over a battery life cycle with different charging methods were observed and quantified in-situ. The evolution of the morphology and reversibility of the Li inventory was also observed. The in-situ quantification of the amount of lithium metal deposited on graphite was a significant challenge, but the project objectives and milestones were met with minor deviations, including the quantification of the deposited Li metal and the amount of non-reversible “dead lithium”. As a result, diagnostic methods at cell and module level were successfully validated to assess the safety-relevant effects of deviating production parameters and, in principle, made accessible for other metal-based cell chemistries.