Untersuchung der Alterung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Elektroanalytik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie

Käbitz, Stefan; Tübke, Jens; Sauer, Dirk Uwe

doi:HT019204168

Untersuchung der Alterung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Elektroanalytik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie = Investigation of the aging of lithium-ion batteries using electroanalysis and electrochemical impedance spectroscopy

Käbitz, Stefan

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Stefan Robert Käbitz

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xvi, 258 Seiten)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Tübke, Jens (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-120944
DOI: 10.18154/RWTH-2016-12094
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680923/files/680923.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680923/files/680923.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrochemische Impedanzspektroskopie (frei) ; EIS (frei) ; inhomogen (frei) ; differentielle Spannungsanalyse (DVA) (frei) ; physikalisches Modell (frei) ; Halbzellen (frei) ; Mikroskopie (frei) ; Post-Mortem-Analyse (frei) ; Alterung (frei) ; Lithium-Ionen-Batterie (frei) ; DRT (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Möglichkeiten der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an Energiespeichern sind zu vergleichen mit der Aufnahme eines Elektrokardiogramms (EKG) am Herzen. Es ist nicht möglich, allein anhand eines EKG die Funktionsweise des Herzens zu verstehen. Mit dem grundlegenden Verständnis seiner Funktion und der damit verknüpften Signale ist das EKG dennoch eine der wichtigsten Verfahren zur Diagnose der Herzfunktion. Ebenso hat die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) das Potential, eine Vielzahl von Alterungseffekten und Fehlfunktionen in elektrochemischen Energiespeichern zu diagnostizieren.Neben einigen nachweislich mit einzelnen Alterungseffekten korrelierenden Größen zeigt sich, dass über viele Alterungseffekte Uneinigkeit in der Literatur hinsichtlich der Auswirkung auf das elektrochemische Impedanzspektrum herrscht. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die modellbasierte Kopplung vergleichsweise einfacher physikalischer Prozesse bereits eine Vielzahl von Erscheinungsformen im EIS hervorrufen kann. Dies erschwert die eindeutige Zuordnung physikalischer Prozesse zu den beobachteten elektrochemischen Impedanzspektren.So lange aber das grundlegende Verständnis der Auswirkungen einzelner Alterungsprozesse auf die EIS unbekannt ist, ist sie in ihren Möglichkeiten stark eingeschränkt. Diese Arbeit unternimmt einige Schritte hin zu einer vollständigeren Beschreibung der Alterungseffekte in Lithium-Ionen-Batterien und ihrer Auswirkungen auf die EIS in Kombination mit weiteren elektroanalytischen Verfahren. Sie stellt eine umfassende Studie der an Vollzellen zerstörungsfrei messbaren elektrochemischen Eigenschaften dar, die bei verschiedenen Alterungsbedingungen auftreten. Hierbei kommen gängige Verfahren wie die Methode der verteilten Relaxationszeitkonstanten (DRT) und auch neue Verfahren der Differenzenbildung von Spektren (D-EIS) zum Einsatz. Die Auswirkungen der Alterung auf Prozesse mit langsamen Zeitkonstanten werden mittels der differentiellen Spannungsanalyse der Entladekurven (DVA) untersucht.Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird eine komplexe Testmatrix ausgewertet, die die Abhängigkeit der Alterung der Zellen, bei einer Prüfdauer von mehreren Jahren, von verschiedenen Entladetiefen und mittleren Ladezuständen aufzeigt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über die Veränderung der elektrochemischen Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf einen anderen Zelltyp überprüft. Hierbei kommen auch Halbzellen zur Beschreibung der Elektrochemie einzelner Elektroden und mikroskopische Methoden zum Einsatz.

The use of electrochemical impedance spectroscopy for energy storage systems can be compared with the recording of an electrocardiogram (EKG) of the heart. It is not possible to understand the functionality of the heart by means of an EKG alone. With the basic understanding of its function and the associated signals, the EKG is nevertheless one of the most important procedures for diagnosing the cardiac function. Likewise, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) has the potential to diagnose a variety of aging effects and malfunctions in electrochemical energy storage.Though some parameters are correlated with aging effects, it is found that there is a great deal of disagreement in the literature regarding the effect of aging effects onto the electrochemical impedance spectrum. It is shown in this work that the model-based coupling of comparatively simple physical processes can already produce a large number of phenomena in the EIS. Thus it is difficult to perform an unambiguous assignment of physical processes to the observed electrochemical impedance spectra.However, as long as the basic understanding of the effects of individual aging processes on the EIS is unknown, its possibilities are severely limited. This work takes some steps towards a more complete description of aging effects in lithium-ion batteries and also on the EIS in combination with other electroanalytical procedures. It is a comprehensive study of the electrochemical properties in various aging conditions which can be measured without destruction of the cell. Therefore common methods such as the method of distributed relaxation times (DRT) and also new methods using differential spectra (D-EIS) are used. The effects of aging on processes with slow time constants are investigated by the differential voltage analysis (DVA) of the discharge curves .In the experimental part of this thesis a complex test matrix is evaluated, which shows the dependence of the aging of the cells from different depths of discharge and mean states of charge, covering a test duration of several years. The results of this study, the changes in electrochemical properties, are checked for their transferability to another cell type. Thereby also half-cells and microscopic methods are used to describe the electrochemistry of individual electrodes.

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