Nichtlineare Frequenzganganalyse zur Prozessidentifikation und Charakterisierung von Li-Ionen-Batterien

• Antragstellerinnen: Professorin Dr.-Ing. Ulrike Krewer; Professorin Dr.-Ing. Tanja Vidakovic-Koch
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511127714

Li-Ionen-Batterien sind entscheidende (zukünftige) Komponenten für die Elektromobilität und zur Pufferung intermittierender erneuerbarer Energien. Um ihre Energiedichte zu erhöhen und Kosten zu sparen werden verbesserte Elektroden- und Zellkonzepte entwickelt. Außerdem werden die bestehenden Zellen vorzugsweise an ihrer Leistungsgrenze betrieben, was zu Alterungs- und Sicherheitsproblemen führt. In beiden Fällen besteht ein dringender Bedarf an zerstörungsfreien Operando-Analysen, die ein vertieftes und vor allem quantitatives Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse in den Batterien ermöglichen und zeigen, wie Zelldesign und Betriebsweise diese beeinflussen. Lediglich Spannung und Strom können leicht gemessen werden. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie, eine lineare Analysemethode, wird häufig zu diesem Zweck eingesetzt. Verschiedene Zustände und Effekte können jedoch zu ähnlichen Spektren führen. Um die Einschränkungen der Impedanzspektroskopie zu umgehen werden in diesem Projekt nichtlineare Methoden, insbesondere die nichtlineare Frequenzganganalyse (NFRA), eingesetzt. Die analysierten höheren harmonischen Antworten enthalten Informationen über nichtlineare Prozesse, insbesondere die Reaktionskinetik, und über den Zustand der Elektrodenoberfläche. NFRA ist somit ein äußerst leistungsfähiges und vielversprechendes Werkzeug zur Diagnose von Batterien, das derzeit jedoch kaum verstanden wird. Gegenwärtig gibt es kein gemeinsames Verständnis darüber, wie NFRA-Spektren gemessen und - was noch wichtiger ist - analysiert werden sollten. Dies sind die Haupthindernisse, die eine breitere Akzeptanz dieser Methode in der Gemeinschaft verhindern. In diesem Projekt werden verschiedene NFR-Ansätze, die am KIT und MPI entwickelt wurden, für Batterieanalysen eingesetzt. Zum ersten Mal werden die NFR-Spektren von Anode und Kathode untersucht, um zwischen ihren Beiträgen im Zellsignal zu unterscheiden; außerdem werden die bisher nicht analysierte Phaseninformation und die Gleichstromkomponente auf ihren Informationsgehalt hin untersucht. Frequenzgangfunktionen höherer Ordnung, die analog zur Impedanz nicht amplitudenabhängig sind, aber Informationen über das nichtlineare Verhalten enthalten, werden bestimmt. Analytische und numerische Lösungen von Modellen werden zur Reproduktion und Interpretation der experimentellen Spektren verwendet. Im Ergebnis wird im Rahmen des Projekts eine systematische Methodik zu Diagnose und Analyse von Batteriezuständen mittels nichtlineare Frequenzganganalyse entwickelt, die den Weg für eine weit verbreitete Analyse dieser neuen Technik ebnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Serbien
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Menka Petkovska