OrtOptZelle – Ortsabhängige Kompression von Pouchzellen zur Lebensdaueroptimierung

Während des Ladevorganges von Lithium-Ionen-Batteriezellen kommt es zu einer reversiblen und irreversiblen Ausdehnung, wodurch eine erhebliche mechanische Belastung in den Zellen selbst aber auch Druck auf die Nachbarzellen und das Gesamtmodul entstehen können. Diese mechanischen Belastungen haben eine direkte Auswirkung auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batteriezellen. Das Projekt »OrtOptZelle« hat als zentrales Ziel, die lokalen Volumenänderungen und Druckverteilungen in der Zelle besser zu verstehen. Der Ansatz des Projekts ist dabei, die Volumenänderungen während der Lade- und Entladeprozesse präzise zu vermessen und das generierte ortsaufgelöste Profil dann mit der Alterung der Zellen zu korrelieren. In einem zweiten Schritt wird der Einfluss von gezielter externer Druckausübung auf die Zellen untersucht. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen insbesondere auch zu einer signifikanten Verbesserung im Modulbau hinsichtlich des Alterungsverhaltens der Batteriezellen beitragen.

Das Verbundvorhaben »OrtOptZelle« fokussiert sich darauf, die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien während der Nutzungsphase durch optimierte mechanische Druckverteilungen zu verlängern. Dazu werden lade- und entlade-induzierte Volumenänderungen an großflächigen Pouchzellen ortsaufgelöst bestimmt und somit die Inhomogenität der Volumenänderungen kartographiert. Zusammen mit ortsaufgelösten Wärmetönungen und Stromdichteverteilungen in Kombination mit post-mortem Analysen und computertomographischen Aufnahmen wird ein komplettes Bild der Inhomogenität von großformatigen Pouchzellen erstellt. Die Kombination mit einer kontrollierten Alterung der Zellen wird Aufschluss über den Einfluss der Inhomogenitäten auf die Alterung geben und somit gemäß des Themenfelds B »Alterung & Lebensdauerprognose« des BMBF Kompetenzclusters »Batterienutzungskonzepte« zum Verständnis von Alterungsprozessen in Lithium-Ionen-Batteriezellen signifikant beitragen. Dieses Verständnis wird anschließend eingesetzt, um die Lebensdauer von Batteriezellen durch eine Optimierung einer von außen angelegten mechanischen Druckverteilung zu verlängern. Diese Untersuchungen dienen der übergeordneten Mission des Kompetenzclusters hinsichtlich der Analyse der Skalierbarkeit in Richtung großformatiger Batteriezellen und großer Batteriepacks.

Gleichzeitig ist es das Ziel des Projekts, Methoden zur schnellen Charakterisierung von Inhomogenitäten von großflächigen Pouchzellen zu validieren, welche dann dem Dachkonzept der »Forschungsfabrik Batterie« des BMBF dienen können. Die Methoden können in diesem Kontext sowohl zur Qualitätssicherung als auch zur Optimierung der Geometrie von großflächigen Pouchzellen eingesetzt werden. Weiterhin können prozess- und materialrelevante Parameter für die Formierung, die Beschichtung oder auch für die Elektrodenzusammensetzungen (Binder, Aktivmaterialen) mit Hilfe der entwickelten Methoden beschleunigt optimiert werden. Darüber hinaus werden die Ergebnisse des Projekts dazu führen die Lebensdauern von großformatigen Pouchzellen während der Nutzungsphase durch optimierte Druckverhältnisse im Batteriemodul deutlich zu verlängern. Diese verlängerte Nutzungsdauer hat einen signifikanten Effekt auf die Nachhaltigkeitsbilanz über die Lebensdauer der Batteriezelleen und dient somit dem Grundgedanken des BMBF-Dachkonzepts »Forschungsfabrik Batterie« und des Kompetenzclusters »Batterienutzungskonzepte«.

Die Arbeitspakete des Projekts »OrtOptZelle« im Einzelnen:

• Etablieren, testen und anwenden des Verfahrens zur systematischen Untersuchung der Zellen (siehe Abbildungen)
• Post-Mortem-gestützte Untersuchung zur Schlussfolgerung der inhomogenen mechanischen Druckverteilung
• Modellierung der Lebensdauer bei verschiedenen, ortsaufgelösten Kompressionsgraden
• Validierung der experimentell und simulativ gewonnenen Ergebnisse