Diskrete elektrochemische Modellierung und experimentelle Identifikation von Lithium-Ionen-Zellen basierend auf Halbzellpotentialen

Der kommerzielle Erfolg von Lithium-Ionen-Batteriespeichern in neuen Anwendungsfeldern wie der Elektromobilität hängt unter anderem entscheidend von der Langlebigkeit und Betriebssicherheit der Zellen im Batteriepack ab. Um diese zu gewährleisten, müssen Diagnose- und Überwachungswerkzeuge entwickelt werden, die das Alterungs- und dynamische elektrochemische Verhalten der Zellen in einem weiten Betriebsparameterbereich nachführen und das Auftreten alterungs- und sicherheitskritischer Betriebszustände zuverlässig detektieren können. Die dazu bisher verfügbaren Methoden genügen diesem Anspruch nur bedingt, da sie das Zellverhalten entweder nur in einem sehr eingeschränkten Parameterbereich beschreiben oder bestimmte Alterungsprozesse wie die Lithium-Metallabscheidung gar nicht oder nur unzureichend abbilden können. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Fragestellung, inwieweit bestehende Diagnose- und Überwachungswerkzeuge so weiterentwickelt werden können, dass sie eine physikalisch motivierte, ganzheitliche Beschreibung der Ursache und Wirkung von Alterungsmechanismen unter Berücksichtigung der eingeschränkten Ressourcen von typischen Batteriemanagementsystemen gestatten. Der dabei verfolgte Ansatz beruht in großen Teilen auf der räumlichen und zeitlichen Separation der Effekte entsprechend ihrer Zuordnung zu den Halbzellen. Im Gegensatz zu bisherigen vollzellbasierten Ansätzen verspricht der halbzellbasierte Ansatz einen deutlichen Informationszugewinn und einen tieferen Einblick in Alterungsmechanismen, die hauptsächlich einer Elektrode der Zelle zugeordnet sind