Identifizierung und Quantifizierung von Alterungsphänomenen in Lithium-Ionen-Batterien

Nach heutigem Stand der Technik liegt bei der Suche nach Energiespeichern für Fahrzeuganwendungen der Fokus auf dem Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) aufgrund ihrer, im Vergleich mit anderen Batterien, hohen Energiedichte und Lebensdauer. Die Gewährleistung einer hohen Lebensdauer ist dabei in allen Betriebszuständen und unterschiedlichen Umweltbedingungen erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen des Alterungsverhaltens der Elektroden aus automotiven LIB zum Verständnis der Gesamtalterung der Batterievollzelle (BVZ) durchgeführt. Dafür wurden zunächst beschleunigte Alterungstests an prismatischen automotiven BVZ durchgeführt. Differenziert wurde hierbei zwischen kalendarischen (kal.) und zyklischen (zyk.) Tests. Das Elektrodenmaterial wurde anschließend aus der BVZ entnommen und elektrochemischen Untersuchungen in Knopfzellen als auch Post-Mortem-Analysen unterzogen. Zur Identifikation der an den einzelnen rückgebauten Elektroden auftretenden Alterungsphänomene, ohne Einflussnahme der Gegenelektrode, wurden außerdem unbetriebene Kathoden und Anoden unter verschiedenen Bedingungen betrieben. Des Weiteren wurden unterschiedliche Kohlenstoffaktivmaterialien von natürlichem und künstlichem Graphit, Soft- und Hard-Carbon sowie Graphen, in Knopfzellen verbaut, auf ihr Alterungsverhalten getestet. Dies erlaubte Rückschlüsse auf die Auswirkungen der Aktivmaterialwahl in der Anode auf die Gesamtalterung der BVZ. Bei der Analyse der kal. gealterten Kathoden wurde eine verstärkte Abnahme der Kathodenkapazität mit zunehmender Lagerdauer, Lagertemperatur und zunehmendem Lager-Ladezustand (SoC) festgestellt. Aus den Experimenten der zyk. gealterten Kathoden wurde eine verstärkte Kathodenalterung bei hohen Temperaturen, Laderaten und Zyklenanzahlen festgestellt. Bei den vorgenannten Bedingungen wurden u.a. eine besonders hohe mechanische Beanspruchung der Aktivmaterial-Partikel sowie eine verstärkte Übergangsmetallauflösung beobachtet. Bei der Analyse der kal. gealterten Anoden konnte eine verstärkte Kapazitätsabnahme mit steigendem SoC beobachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine progressive Alterung eine fortschreitende Vergrößerung der aktiven Oberfläche verursacht. Eine Gewichtszunahme der Anoden sowie eine Zunahme der Graphitamorphizität bestätigten das Vorliegen dieses Effekts. Die Zyklisierung von Anoden aus verschiedenen Kohlenstoffaktivmaterialien verdeutlichte das unterschiedliche Alterungs- und Zellverhalten.