Forschung zur schnellen und hochpräzisen Floatstromtechnologie als Alternative zu herkömmlichen kalenderische Alterungstests an Lithium-Ionen-Zellen und Erforschung von schnell parametrierbaren Alterungsprognosesimulationen

• Antragsteller: Dr. Meinert Lewerenz; Professor Dr. Dirk Uwe Sauer
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440701024

Dieser Antrag steht im Kontext der Verkehrswende vom Verbrennungsmotor hin zur Elektromobilität. Dabei steigt kontinuierlich der Druck günstige, innovative und vor allem langlebige Batteriezellen mit höherer Energie- und Leistungsdichte zu entwickeln. Hierbei ist vor allem die Degradation und vor allem deren schnelle Vermessung wissenschaftlich nicht ausreichend erfasst. Problematisch ist dabei, dass die für Lebensdauerprognosen relevante irreversible Alterung insbesondere zu Beginn durch signifikante reversible Effekte überlagert sind. Weiterhin sind klassische Alterungsbestimmungsmethoden mittels Kapazitätstests sehr aufwändig, da die Messung unter Normalbedingungen Monate bis Jahre dauert. Dadurch wird das Testen fehleranfälliger, sehr komplex und ist durch viele schwankende Randbedingungen beeinflusst. Eine alternative Methode soll durch die Antragsteller mit der sogenannten Floatstrom-Methode grundlegend entwickelt werden. Dabei wird die Zelle bei einer Spannung in einer Konstantspannungsphase gehalten und der Strom mit hoher Auflösung gemessen. In der Einschwingphase werden Polarisationseffekte und Effekte durch Konzentrationsunterschiede ausgeglichen. Das Stromsignal nähert sich dann einem stabilen Zustand (steady-state). Dieser konnte exemplarisch in einer Veröffentlichung der irreversiblen Alterung durch die Antragsteller zugeordnet werden. In diesem Antrag soll die Methode nun methodisch erforscht und an anderen Zelltypen validiert werden. Hierzu soll die Hardware speziell für diese Anwendung optimiert werden, um eine sinnvolle Regelung, eine günstige Messung und damit viele Messungen zu ermöglichen. Mit diesem Wissen kann dann mit Hilfe von geeigneter Modellierung das Verständnis von Ausgleichsvorgängen in der Batterie und von Alterungsvorgängen verstanden werden. Nur die Kombination ermöglicht es, verbesserte und vor allem schnellere Lebensdauerprognosen zu erreichen. Die Messmethodik soll so angewendet werden, dass eine schnelle Parametrierung innerhalb von 4-6 Wochen eines Lebensdauermodells möglich ist und somit mindestens 5 Jahre Batterienutzung verlässlich vorhergesagt werden können.Eine weitere zu untersuchende Anwendung ist die Ermittlung der Stabilität von Batteriezellen. Dazu wird der Floatstrom im eingeschwungenen Zustand bei stufenweiser Erhöhung der Temperatur gemessen. Langzeitstabil ist die Zelle insbesondere dann, wenn der Floatstrom nach einem Temperaturprofil bei der Referenztemperatur sich nicht erhöht hat. Bleibt er dagegen nicht stabil, beeinflusst das vorangegangene Temperaturprofil die Alterung und eine Wegeabhängigkeit liegt vor, welche insbesondere für die Modellierung und damit die Lebensdauerprognose von großer Bedeutung ist. Solch eine Abhängigkeit des Batterieverhaltens von der Vorgeschichte ist in der wissenschaftlichen Community bisher nur ansatzweise untersucht worden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Rik W. De Doncker; Professor Dr. Egbert Figgemeier