Elektrochemische Charakterisierung und systemtechnische Diagnose von Lithium-Ionen-Batterien

Titelangaben

Rüther, Tom:
Elektrochemische Charakterisierung und systemtechnische Diagnose von Lithium-Ionen-Batterien.
Bayreuth , 2025 . - XXVI, 203 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Angesichts der zunehmenden Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in der Zukunft ist es unerlässlich alternative Ansätze zum Recycling zu erforschen, die Lebensdauer von Batterien zu maximieren und deren Performanceeigenschaften zu optimieren. Um geeignete Lösungsansätze zu entwickeln, ist es daher von signifikanter Bedeutung, ein vertieftes Verständnis der elektrischen Eigenschaften sowohl von einzelnen Zellen als auch von Modulen zu entwickeln. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Prozesscharakterisierung, die Löwner-Methode, angewandt. Diese wird sowohl anhand von Ersatzschaltbildmodellen als auch mittels bestehender Methoden zur Prozesscharakterisierung validiert. Sie bietet einen vielversprechenden und innovativen Ansatz zur Analyse unterschiedlichster elektrochemischer Systeme. Die Löwner-Methode wird mit alternativen Methoden kombiniert, um eine umfassende Charakterisierung von 92 Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen, die über die Analyse von Ersatzschaltbildparametern oder Messgrößen hinausgeht. In dieser Analyse werden Transportprozesse identifiziert und hinsichtlich ihrer Verteilungsfunktionen untersucht, wobei sich die allgemeine Annahme der Normalverteilung für einige Prozesse widerlegen lässt. Darüber hinaus zeigt eine Korrelationsanalyse drei diskrete Prozessgruppen, welche der Zellwicklung, den Oberflächen- und den Diffusionsprozessen zugeordnet werden. Die Ergebnisse der Zellvariationsstudie werden anschließend genutzt, um die Energie- und Pulsleistungsfähigkeiten von Batteriemodulen in serieller und paralleler Verschaltung zu modellieren. Dabei werden zur Berücksichtigung der Parametervariationen und Korrelationen multivariate Normalverteilungen herangezogen. Im Rahmen einer Simulation wird der Einfluss von Zellsortierungen und einer inhomogen gealterten Zelle auf die Performancegrößen der Energie- und Pulsleistungsfähigkeit untersucht. Es stellt sich heraus, dass eine Zellsortierung nur mit einem beträchtlichen Aufwand zu einer geringen Verbesserung der Performance führt. Demgegenüber zeigt die Performance eine deutliche Abhängigkeit von der Inhomogenität, insbesondere in der seriellen Verschaltung. Folglich wird ein Verfahren zur Detektion von Inhomogenitäten in seriellen Verschaltungen entwickelt. Dazu wird die Impedanz des Gesamtmoduls simuliert und anhand verschiedener Merkmale analysiert. Hierbei wird das Niederfrequenzminimum als das geeignetste Merkmal identifiziert und folglich anhand von Messungen validiert. Dieses Merkmal kann in einer Reihenschaltung von bis zu zehn Zellen zur Identifikation von inhomogenen Zellen genutzt werden. Diese Arbeit leistet somit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Batteriemodulen sowie deren Performance und legt damit den Grundstein für die zukünftige Entwicklung von Entscheidungsalgorithmen im Bereich der Kreislaufwirtschaft

Abstract in weiterer Sprache

In light of the growing prevalence of lithium-ion batteries, it is imperative to investigate alternative approaches to recycling and to enhance the longevity and performance of these batteries. To develop appropriate solutions, it's essential to have a thorough understanding of the electrical characteristics of both individual cells and modules. For this reason, a detailed method for process characterization, the Löwner-method, is used in this thesis. It is validated through the utilization of both equivalent circuit models and an established method for process characterization. It offers a promising and innovative approach for the analysis of a wide variety of electrochemical systems. Moreover, the Löwner-method is integrated with alternative techniques to enable a thorough characterization of 92 lithium-ion batteries, surpassing the limitations of traditional approaches like equivalent circuit parameter analysis or direct variable measurement. The identified processes are examined for their distribution function, where the general assumption of a normal distribution can be declined for some processes. In addition, a correlation analysis reveals three discrete process correlation groups that are assigned to cell winding, surface processes, and diffusion processes. The results of the cell-to-cell-variation study are then used to model the energy and pulse power capability of battery modules in series and parallel connections. To account for parameter variation and correlation, multivariate normal distributions are used. A simulation is then employed to examine the impact of cell sorting and an inhomogeneously aged cell on the performance variables of energy and pulse power capability. The results show that cell sorting, despite its significant sorting effort, only marginally enhances performance. In contrast, the performance exhibits a significant dependence on the inhomogeneity, particularly in the serial connection. Consequently, a method for detecting inhomogeneities in serially connected battery modules is being developed. For this purpose, the impedance of the entire module is simulated and analyzed using various impedance characteristics. It turns out that the low-frequency minimum is the most suitable feature for this purpose. It is therefore validated by measurements. This feature enables the detection of inhomogeneities in a series connection of up to ten cells. This work therefore makes a significant contribution to the understanding of the electrical properties of battery modules and their performance. Moreover, it serves as a foundation for the future development of decision-support algorithms in the field of circular economy.