Methoden zur Auslegung einer für das Schnellladen optimierten Lithium-Ionen-Batteriezelle
Seiten
2023
sierke VERLAG - Sierke WWS GmbH
978-3-96548-167-1 (ISBN)
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Die Schnellladefähigkeit des Batteriespeichers stellt einen wichtigen und kundenrelevanten Aspekt für die Kaufentscheidung eines elektrisch-angetriebenen Fahrzeuges (engl.: battery electric vehicle, BEV) dar. Auch wenn sich die Ladezeit eines BEV in den letzten Jahren deutlich verkürzt hat, ist es immer noch ein essentielles Thema für die gesellschaftliche Akzeptanz der Elektromobilität. Aus diesem Grund steht die Verbesserung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, als Herzstück des Batteriespeichers, im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Als Hauptursache für die Begrenzung der Schnellladefähigkeit auf Zellebene ist Lithium-Plating als schadhafte Nebenreaktion bereits identifiziert. Lithium-Plating ist jedoch, ohne die Batteriezelle öffnen zu müssen, derzeit nur schwer zu detektieren. Die große Herausforderung liegt in der ge-nauen Bestimmung des Zeitpunktes, an dem Lithium-Plating während des Ladens einsetzt, um die Schnellladefähigkeit der Batteriezelle quantifizieren und Untersuchungen zur bestmöglichen Optimierung der Zelle ermöglichen zu können.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur methodischen Vorgehensweise bei der Auslegung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle hinsichtlich einer Verbesserung der Schnellladefähigkeit liefern. Nur durch ein tiefgehendes Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehung zwischen Prozessparametern der Elektrodenproduktion, der Struktur der Elektrode und den resultierenden Eigenschaften der Zelle ist es möglich, Stellhebel zu identifizieren, die eine Verbesserung der Schnellladefähigkeit bewirken. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung einer Methodik, die einerseits die einfache Bewertung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ermöglicht und andererseits eine Verbindung zwischen Elektrodeneigenschaften und den resultierenden Zellei-genschaften herstellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, welche mithilfe des Spannungssignals der Lithium-Ionen-Batteriezelle das Einsetzen von Lithium-Plating während des Ladens bestimmt und dadurch eine einfach umsetzbare und genaue Quantifizierung der Schnellladefähigkeit ermöglicht. Im Zusammenhang mit weiteren Methoden zur Charakterisierung der Elektrodenstruktur wird eine Methodik entwickelt, um den Einfluss auf die Schnellladefähigkeit der Li-thium-Ionen-Batteriezelle von einzelnen Prozessparametern oder -schritten untersuchen zu können. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit wird die Methodik an unterschiedlichen Stellen der Batteriezellproduktion angewendet, um exemplarisch Stellhebel zur Verbesserung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zu identifizieren. Die Untersuchung der Materialzusammensetzungen der Anode verdeutlicht den Einfluss von Binder und Leitzusatz auf die Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Während eine Erhöhung des Binderanteils zu einer Verringerung des ionischen Widerstandes der Anode führt und damit die Schnellladefähigkeit reduziert, kann durch die große Oberfläche des Leitzusatzes der Binder adsorbiert und dessen negativer Einfluss kompensiert werden. Die Untersuchung der Pasten-Dispergierung der Anode verdeutlicht, dass Graphit-Partikel vergleichsweise fragil sind und eine schonende Prozessierung notwendig ist. Anderenfalls entstehen Partikelbruch-stücke, welche die poröse Struktur der Anode blockieren, den ionischen Widerstand dadurch erhöhen und zu einer Verringerung der Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen. Die Untersuchung der Elektrodenverdich-tung verdeutlicht ein Optimierungsproblem zwischen der Porosität und Schicht-dicke der Anode in Abhängigkeit zur volumetrischen Kapazität und Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Verdichtung der Anode muss dem-nach in Abhängigkeit zur volumetrischen Kapazität eingestellt werden, da an-sonsten eine zu niedrige Porosität oder zu hohe Schichtdicke zu einer unnötigen Erhöhung des ionischen Widerstandes, beziehungsweise einer Verringerung der Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen kann.
Die vorliegende Arbeit kann als methodische Hilfestellung zur Optimierung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle herangezogen werden. Durch die Untersuchung anderer Prozessschritte können weitere Stellhebel identifiziert werden, welche die Auslegung der Lithium-Ionen-Batteriezelle hin-sichtlich der Schnellladefähigkeit weiter verbessern kann. Die Methode zur Bestimmung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann darüber hinaus zur Untersuchung von Zellauslegungen oder äußeren Einflüssen wie Temperatur und Zellverspannung genutzt werden. The fast-charge capability of the battery is an important, customer-relevant as-pect for the purchase decision of a battery electric vehicle (BEV). Even if the charging time of a BEV has been significantly reduced in recent years, it is still essential for the social acceptance of electromobility. For this reason, the im-provement of the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell, as the heart of the BEV battery, is one major focus of scientific interest. Lithium-plating has already been identified as a harmful side reaction and the main cause of the limitation of fast-charging at cell level. However, if the cell cannot be opened, today lithium plating can only be determined in a complex or relatively inaccurate way. The big challenge lies in the precise determination of the onset of lithium-plating during charging in order to quantify the fast-charge capability of the cell and to enable investigations to optimize it.
The present work is intended to provide a contribution to the methodical proce-dure for optimized design of a lithium-ion battery cell with regard to improving the fast-charge capability. Only through an in-depth understanding of the pro-cess-structure-property relationship between process parameters of electrode production, electrode structure and resulting cell properties, it is possible to iden-tify levers that improve the capability to fast-charge. Therefore, the aim of this thesis is the development of a methodology which, on the one hand, enables a simple determination of the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell and, on the other hand, establishes a connection between electrode properties and the resulting cell properties.
Within the scope of this work, a method is presented which, with the help of the voltage signal of the lithium-ion battery cell, determines the onset of lithium plat-ing during charging. This enables an easy to implement and precise quantifica-tion of the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. In combination with other methods for characterizing the electrode structure, a methodology is being developed that can be used to investigate individual process parameters or steps in battery cell production with respect to an influence on the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. In the following, the methodology is applied at different steps of the battery cell production in order to identify exemplary levers for improving the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. The investigation of the material composition of the anode illustrates the influence of the binder and conductive additive on the fast-charge capability. While an in-crease in the proportion of binder leads to a reduction in the ionic resistance of the anode and thus, reduces the fast-charge capability, the large surface area of the conductive additive can adsorb the binder and compensate its negative influence. The investigation of the dispersion of the anode slurry shows that graphite particles are comparatively fragile and gentle processing is necessary. Otherwise, particle fragments are created that block the porous structure of the anode, thereby, increasing the ionic resistance and reducing the fast-charge ca-pability of the lithium-ion battery cell. The investigation of the electrode compres-sion illustrates an optimization problem between the porosity and coating thick-ness of the anode depending on the volumetric capacity and fast-charge capa-bility of the lithium-ion battery cell. Therefore, the compression of the anode must be adjusted depending on the volumetric capacity, otherwise, a too low porosity or too high coating thickness can lead to an unnecessary increase in the ionic resistance and a reduction in the fast-charge capability of the lithium-ion battery cell.
The present work can be used to optimize the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. By investigating other process steps, further levers can be iden-tified, which can be used to improve the design of the lithium-ion battery cell with respect to the fast-charge capability. Moreover, the method to determine the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell can also be used to investigate impacts of the cell design or external influences such as temperature and cell compression on the fast-charge capability.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur methodischen Vorgehensweise bei der Auslegung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle hinsichtlich einer Verbesserung der Schnellladefähigkeit liefern. Nur durch ein tiefgehendes Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehung zwischen Prozessparametern der Elektrodenproduktion, der Struktur der Elektrode und den resultierenden Eigenschaften der Zelle ist es möglich, Stellhebel zu identifizieren, die eine Verbesserung der Schnellladefähigkeit bewirken. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung einer Methodik, die einerseits die einfache Bewertung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ermöglicht und andererseits eine Verbindung zwischen Elektrodeneigenschaften und den resultierenden Zellei-genschaften herstellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, welche mithilfe des Spannungssignals der Lithium-Ionen-Batteriezelle das Einsetzen von Lithium-Plating während des Ladens bestimmt und dadurch eine einfach umsetzbare und genaue Quantifizierung der Schnellladefähigkeit ermöglicht. Im Zusammenhang mit weiteren Methoden zur Charakterisierung der Elektrodenstruktur wird eine Methodik entwickelt, um den Einfluss auf die Schnellladefähigkeit der Li-thium-Ionen-Batteriezelle von einzelnen Prozessparametern oder -schritten untersuchen zu können. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit wird die Methodik an unterschiedlichen Stellen der Batteriezellproduktion angewendet, um exemplarisch Stellhebel zur Verbesserung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zu identifizieren. Die Untersuchung der Materialzusammensetzungen der Anode verdeutlicht den Einfluss von Binder und Leitzusatz auf die Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Während eine Erhöhung des Binderanteils zu einer Verringerung des ionischen Widerstandes der Anode führt und damit die Schnellladefähigkeit reduziert, kann durch die große Oberfläche des Leitzusatzes der Binder adsorbiert und dessen negativer Einfluss kompensiert werden. Die Untersuchung der Pasten-Dispergierung der Anode verdeutlicht, dass Graphit-Partikel vergleichsweise fragil sind und eine schonende Prozessierung notwendig ist. Anderenfalls entstehen Partikelbruch-stücke, welche die poröse Struktur der Anode blockieren, den ionischen Widerstand dadurch erhöhen und zu einer Verringerung der Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen. Die Untersuchung der Elektrodenverdich-tung verdeutlicht ein Optimierungsproblem zwischen der Porosität und Schicht-dicke der Anode in Abhängigkeit zur volumetrischen Kapazität und Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Verdichtung der Anode muss dem-nach in Abhängigkeit zur volumetrischen Kapazität eingestellt werden, da an-sonsten eine zu niedrige Porosität oder zu hohe Schichtdicke zu einer unnötigen Erhöhung des ionischen Widerstandes, beziehungsweise einer Verringerung der Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen kann.
Die vorliegende Arbeit kann als methodische Hilfestellung zur Optimierung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle herangezogen werden. Durch die Untersuchung anderer Prozessschritte können weitere Stellhebel identifiziert werden, welche die Auslegung der Lithium-Ionen-Batteriezelle hin-sichtlich der Schnellladefähigkeit weiter verbessern kann. Die Methode zur Bestimmung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann darüber hinaus zur Untersuchung von Zellauslegungen oder äußeren Einflüssen wie Temperatur und Zellverspannung genutzt werden. The fast-charge capability of the battery is an important, customer-relevant as-pect for the purchase decision of a battery electric vehicle (BEV). Even if the charging time of a BEV has been significantly reduced in recent years, it is still essential for the social acceptance of electromobility. For this reason, the im-provement of the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell, as the heart of the BEV battery, is one major focus of scientific interest. Lithium-plating has already been identified as a harmful side reaction and the main cause of the limitation of fast-charging at cell level. However, if the cell cannot be opened, today lithium plating can only be determined in a complex or relatively inaccurate way. The big challenge lies in the precise determination of the onset of lithium-plating during charging in order to quantify the fast-charge capability of the cell and to enable investigations to optimize it.
The present work is intended to provide a contribution to the methodical proce-dure for optimized design of a lithium-ion battery cell with regard to improving the fast-charge capability. Only through an in-depth understanding of the pro-cess-structure-property relationship between process parameters of electrode production, electrode structure and resulting cell properties, it is possible to iden-tify levers that improve the capability to fast-charge. Therefore, the aim of this thesis is the development of a methodology which, on the one hand, enables a simple determination of the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell and, on the other hand, establishes a connection between electrode properties and the resulting cell properties.
Within the scope of this work, a method is presented which, with the help of the voltage signal of the lithium-ion battery cell, determines the onset of lithium plat-ing during charging. This enables an easy to implement and precise quantifica-tion of the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. In combination with other methods for characterizing the electrode structure, a methodology is being developed that can be used to investigate individual process parameters or steps in battery cell production with respect to an influence on the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. In the following, the methodology is applied at different steps of the battery cell production in order to identify exemplary levers for improving the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. The investigation of the material composition of the anode illustrates the influence of the binder and conductive additive on the fast-charge capability. While an in-crease in the proportion of binder leads to a reduction in the ionic resistance of the anode and thus, reduces the fast-charge capability, the large surface area of the conductive additive can adsorb the binder and compensate its negative influence. The investigation of the dispersion of the anode slurry shows that graphite particles are comparatively fragile and gentle processing is necessary. Otherwise, particle fragments are created that block the porous structure of the anode, thereby, increasing the ionic resistance and reducing the fast-charge ca-pability of the lithium-ion battery cell. The investigation of the electrode compres-sion illustrates an optimization problem between the porosity and coating thick-ness of the anode depending on the volumetric capacity and fast-charge capa-bility of the lithium-ion battery cell. Therefore, the compression of the anode must be adjusted depending on the volumetric capacity, otherwise, a too low porosity or too high coating thickness can lead to an unnecessary increase in the ionic resistance and a reduction in the fast-charge capability of the lithium-ion battery cell.
The present work can be used to optimize the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell. By investigating other process steps, further levers can be iden-tified, which can be used to improve the design of the lithium-ion battery cell with respect to the fast-charge capability. Moreover, the method to determine the fast-charge capability of a lithium-ion battery cell can also be used to investigate impacts of the cell design or external influences such as temperature and cell compression on the fast-charge capability.
| Erscheinungsdatum | 14.07.2023 |
|---|---|
| Reihe/Serie | iPat-Schriftenreihe ; 56 |
| Verlagsort | Göttingen |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 140 x 210 mm |
| Gewicht | 117 g |
| Themenwelt | Technik ► Maschinenbau |
| Schlagworte | Elektrodencharakterisierung • Elektrodenherstellung • Elektrodenverdichtung • Herstellung von Batteriezellen • Materialzusammensetzung • Methodenentwicklung • Pasten-Dispergierung • Prozessoptimierung • Schnellladen |
| ISBN-10 | 3-96548-167-3 / 3965481673 |
| ISBN-13 | 978-3-96548-167-1 / 9783965481671 |
| Zustand | Neuware |
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