Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen Batterien

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1 [logitech.com] Batteriealterung Batteriemodelle Batteriediagnostik Batteriepackdesign Elektromobilität Stationäre Energiespeicher Energiesystemanalyse Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen Batterien Elektrotechnisches Kolloquium an der TU Paderborn Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und 1 Speichersystemtechnik

2 Leistungsfähige Batteriespeicher werden immer wichtiger und damit ein gutes Verständnis ihrer Alterungsmechanismen [tesla.com] ~25 Batteriekosten > Jahre Lebensdauerziel 10 Jahre 2

3 Leistungsfähige Batteriespeicher werden immer wichtiger und damit ein gutes Verständnis ihrer Alterungsmechanismen [zeit.de] [Der-Postillon.de] Ohne Kenntnis der Alterungsvorgänge, können folgende Fragen nicht beantwortet werden: Garantie? Leasingraten? Ausfallwahrscheinlichkeiten? Betriebsgrenzen? Sicherheitsgrenzen? Betriebsstrategie? Max. Ladeströme? 3

4 Gliederung Motivation Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Alterung von Batteriespeichern Kalendarische Alterung Zyklische Alterung Alterungsbestimmung im Feld Zusammenfassung 4

5 Lithium-Ionen Batterien Große Zahl von Materialkombinationen ein Funktionsprinzip Negative Elektrode Positive Elektrode Materialien: Graphit Graphit & Silizium Li 4 Ti 5 O 12 Laden Materialien: LiCoO 2 LiMn 2 O 4 LiFePO 4 Li(Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 )O 2 Li(Ni x Mn y Co 1-x-y )O 2... Entladen Separator 5

6 Mikroskopischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie M. Ender. Mikrostrukturelle Charakterisierung, Modellentwicklung und Simulation poröser Elektroden für Lithiumionenzellen. Dissertation. KIT,

7 Modell: Abgebildete Reaktionen Entladung voll geladen M. Ender. Mikrostrukturelle Charakterisierung, Modellentwicklung und Simulation poröser Elektroden für Lithiumionenzellen. Dissertation. KIT,

8 Gliederung Motivation Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Alterung von Batteriespeichern Kalendarische Alterung Zyklische Alterung Alterungsbestimmung im Feld Zusammenfassung 8

9 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung 9

10 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Hugh Laurie ~90er Jahre 10

11 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Hugh Laurie ~90er Jahre Hugh Laurie ~

12 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Mehr Bart Hugh Laurie ~90er Jahre Hugh Laurie ~

13 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Mehr Bart Schickeres Outfit Hugh Laurie ~90er Jahre Hugh Laurie ~

14 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung 14

15 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung 15

16 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Reduzierung der Kapazität 16

17 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Reduzierung der Kapazität Erhöhung des Innenwiderstands 17

18 Was bedeutet eigentlich Alterung? Alterung Reduzierung der Kapazität Erhöhung des Innenwiderstands 18

19 Externe Alterung vs. interne Alterung Externe Alterungsfaktoren Welche Faktoren beeinflussen die Alterung? Interne Alterungsfaktoren Was passiert in der Batterie? Stichworte: Ladestrom Spannungslage Entladungstiefe Temperatur Keywords: Lithium Plating Solid Electrolyte Interface (SEI) Korrosionseffekte Zersetzung des Elektrolyten 19

20 Externe Alterungsfaktoren Kalendarische Alterung Beschränkt die Lebensdauer einer Batterie ohne Belastung. Unter anderem abhängig von der Lagerdauer. Zyklische Alterung Zusätzliche Alterung durch elektrische Nutzung der Batterie. Wird stets durch kalendarische Alterung überlagert. Unter anderem abhängig vom Energiedurchsatz. Die Superposition von kalendarischer und zyklischer Alterung ist nicht trivial und eine andauernde Forschungsthematik. 20

21 Gliederung Motivation Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Alterung von Batteriespeichern Kalendarische Alterung Zyklische Alterung Alterungsbestimmung im Feld Zusammenfassung 21

22 Kalendarische Alterung Bedeutung des Ladezustands Relative Kapazität in % [eigbattery.com] Kalendarische Alterung bei 35 C Pouch-Zelle: 20 Ah Energiedichte: 174 Wh/kg Kathode: NMC (4:4:2) Anode: Graphit SOC: 100% 80% 65% 50% 35% 20% Lagerzeit in Tagen SOC: State of Charge 22

23 Kalendarische Alterung Bedeutung des Ladezustands Kapazität [Ah] [Ah] Widerstand [ ] Testtemperatur 50 C SOC = 0 %, T = 50 C SOC = 10 %, T = 50 C SOC = 30 %, T = 50 C SOC = 50 %, T = 50 C SOC = 70 %, T = 50 C SOC = 80 %, T = 50 C SOC = 85 %, T = 50 C SOC = 90 %, T = 50 C SOC = 95 %, T = 50 C SOC = 100 %, T = 50 C SOC = 50 %, T = 40 C SOC = 50 %, T = 35 C SOC = 100 %, T = 50 C SOC = 100 %, T = 40 C SOC = 60 %, T = 50 C SOC = 20 %, T = 50 C Wie lange braucht es, bis eine Batteriezelle 15% ihrer Kapazität verliert? (in Abhängigkeit ihres Ladezustands) Testdauer [Tage] Testdauer [Tage] Testdauer [Tage] 23

24 Kalendarische Alterung Bedeutung des Ladezustands Kapazität [Ah] [Ah] Widerstand [ ] Testdauer [Tage] Tage im Test Testtemperatur 50 C Testtemperatur 50 C SOC = 0 %, T = 50 C SOC = 10 %, T = 50 C SOC = 30 %, T = 50 C SOC = 50 %, T = 50 C SOC = 70 %, T = 50 C SOC = 80 %, T = 50 C SOC = 85 %, T = 50 C SOC = 90 %, T = 50 C SOC = 95 %, T = 50 C SOC = 100 %, T = 50 C SOC = 50 %, T = 40 C SOC = 50 %, T = 35 C SOC = 100 %, T = 50 C SOC = 100 %, T = 40 C SOC = 60 %, T = 50 C SOC = 20 %, T = 50 C 1,8 Ah Restkapazität Testdauer [Tage] Testdauer [Tage] SOC [%] Testdauer [Tage] Ladezustand [%] 24

25 Kalendarische Alterung Bedeutung der Temperatur Eine Erhöhung der Temperatur um 10 K verdoppelt die Alterungsgeschwindigkeit von elektrochemischen Komponenten Nenntemperatur typischerweise C, Lebensdauergarantien gelten nur in engem Temperaturbereich C act /C BOT [a] % SOC CV 25 C 50% SOC CV 40 C 50% SOC CV 50 C 50% SOC CV 60 C t/days 25

26 Kalendarische Alterung Im Alltag Praxisfrage Wie sollten wir unsere Smartphones laden? 26

27 Gliederung Motivation Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Alterung von Batteriespeichern Kalendarische Alterung Zyklische Alterung Alterungsbestimmung im Feld Zusammenfassung 27

28 Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe DOD = 100% [1 äquivalente Vollzyklen] SOC: State of Charge DOD: Depth of Discharge 100% SOC 0% SOC 100% SOC 28

29 Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe DOD = 50% [0,5 äquivalente Vollzyklen] SOC: State of Charge DOD: Depth of Discharge 100% SOC 50% SOC 100% SOC 29

30 Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe DOD = 20% [0,2 äquivalente Vollzyklen] SOC: State of Charge DOD: Depth of Discharge 100% SOC 50% SOC 100% SOC 30

31 Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe DOD = 20% [0,2 äquivalente Vollzyklen] SOC: State of Charge DOD: Depth of Discharge 60% SOC 40% SOC 60% SOC 31

32 Kapazität [Ah] Kapazität [Ah] Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe SOC: State of Charge DOD: Depth of Discharge Keine Zyklierung (als Referenz) SOC = 50 %, T = 35 C SOC = 100 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C SOC = 50 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C SOC = 20 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C SOC = 10 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C SOC = 5 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C 5% DOD 100% DOD Testdauer [Tage] Testdauer [Tage] (proportional zu äquivalenten Vollzyklen) 32

33 Zyklische Alterung Bedeutung des genutzten SOC-Fensters Der Bereich der Zyklierung hat einen hohen Einfluss auf die Batteriealterung (unter anderem wegen Phasenübergängen in der Batterie) Dieser Effekt kann (aber muss nicht) gegensätzlich zur kalendarischen Alterung sein 33

34 Kalendarische Alterung Im Alltag Praxisfrage Wie stellen wir eine Lebensdauer von 10 Jahren sicher? 34

35 Gleiche Zellen unter gleichen Betriebsbedingungen altern unterschiedlich Über 25% Streuung 80% C N Sanyo/Panasonic UR18650E 1,85 Ah Nominelle Kapazität Graphit / NMC Zyklisierung zw. 3,9 V und 3,5 V Stromstärke 4,1 A (~2 C) 48 Zellen in gleicher Weise betrieben 35

36 Gliederung Motivation Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Alterung von Batteriespeichern Kalendarische Alterung Zyklische Alterung Alterungsbestimmung im Feld Zusammenfassung 36

37 Heimspeicher Die Energiewende zuhause Kai-Philipp Kairies

38 Heimspeicher: Die Energiewende zuhause Batteriespeicher verschieben Solarstrom vom Tag in die Nacht Mehr Eigenverbrauch = Weniger Strombezug Welche Bedeutung hat die Thematik Batteriealterung für Heimspeicher? [1] Kai-Philipp Kairies

39 Kapazitätsverluste von privat betriebenen Heimspeichern Garantiefälle? Kai-Philipp Kairies

40 Manuelle Kapazitätstests im Feld Messaufbau SoC = 100 % Das derzeit übliche Verfahren zur Prüfung der Kapazität von Heimspeichern ist ein manueller Kapazitätstest vor Ort Abgeschaltete PV-Anlage Normale Hauslast (Spül- und Waschmaschine, Kühlschrank, TV, etc.) Zusätzliche Lasten (Elektroauto, Heizlüfter, etc.) Entladung mit maximaler Leistung Summe aller Lasten ist größer als Differenzleistung zur Deckung aller Lasten wird aus dem Netz bezogen Kai-Philipp Kairies

41 Manuelle Kapazitätstests im Feld Lade- und Entladevorgang Ladung Entladung Kai-Philipp Kairies

42 Virtuelle Kapazitätstests Grundkonzept Können wir anhand der Logfiles von Heimspeichersystemen virtuelle Kapazitätstests durchführen, die eine stabile Aussage zur nutzbaren Kapazität der Batterie treffen? Ja! Kai-Philipp Kairies

43 Virtuelle Kapazitätstests Grundkonzept Logfiles ISEA Analysetools Data Cleansing Batteriemodelle Pattern Matching C Bat (t) Kai-Philipp Kairies

44 Virtuelle Kapazitätstests In der Anwendung Gründung eines Startups zum in-die-praxis-bringen der Methodik Zusammenarbeit mit mehrere großen Herstellern im Heimspeicherbereich Erweiterung der Algorithmen auf andere Anwendungsfelder Ab Oktober: Möglichkeit von (bezahlten) Praktika im Bereich Batteriespeicher Künstliche Intelligenz Wirtschaftsingenieurwesen Generisches Bild zu Start-Ups ;-) Fragen gerne formlos an: Der Aachener Dom 44

45 Gliederung Motivation Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien Alterung von Batteriespeichern Kalendarische Alterung Zyklische Alterung Alterungsbestimmung im Feld Zusammenfassung 45

46 Zusammenfassung Die Bedeutung von leistungsfähigen Batteriespeichern nimmt in allen Lebensbereichen stetig zu Elektromobilität (zu Wasser, zu Land und in der Luft) Energiewirtschaft Power Tools (Akkuschrauber, Bohrmaschinen, Hochdruckreiniger, ) Verbraucherelektronik (Smartphones, Laptops, Tablets, ) Im Betrieb altern Batteriespeicher kontinuierlich Durch geschicktes Design und intelligente Steuerung kann die Lebensdauer von Batterien deutlich verlängert werden Bei allen Anwendungen sollte das Batteriedesign von vorneherein mitgedacht werden 46

47 Der Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik ist Europas größte öffentliche Forschungseinrichtung für Batteriespeichersysteme. 60+ Wissenschaftler 40+ Masterstudenten 40+ Bachelorstudenten Batterietestkreise bis zu 240 kw Vorbereitung einer Li-Ionen Zelle Drei Forschungsgruppen decken die gesamte Wertschöpfungskette von modernen Speichern ab: Modellierung und Lebensdaueranalyse Batteriesystemtechnik und Fahrzeugintegration Netzintegration und Speichersystemanalyse Der Lehrstuhl bildet durch 6 Vorlesungen und Seminare zum Thema Batteriespeichersysteme an der RWTH Aachen die nächste Generation Batteriespezialisten aus. Batterietestsysteme am ISEA Kai-Philipp Kairies

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt Kai-Philipp Kairies Tel.: Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Kai-Philipp Kairies RWTH Aachen University Jägerstraße 17/ Aachen GERMANY Wir danken MEET Hi-EnD: 03X4634B Dr. Alexander Warnecke Dr. Madeleine Ecker Dr. Stefan Käbitz Dr. Thorsten Baumhöfer Dr. Johannes Schmalstieg Christiane Rahe Prof. Egbert Figgemeier 48

49 [logitech.com] Batteriealterung Batteriemodelle Batteriediagnostik Batteriepackdesign Elektromobilität Stationäre Energiespeicher Energiesystemanalyse Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen Batterien Elektrotechnisches Kolloquium an der TU Paderborn Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und 49 Speichersystemtechnik

50 Backup Alterung bei Schnellladung von Elektrofahrzeugen: Lithium Plating Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und 50 Speichersystemtechnik

51 Winter- und Schnellladeproblematik der Elektromobilität Wie schnell kann die Batterie aufgeladen werden? 51 Folie 51

52 Was ist Lithium-Plating? Sicherheitsrisiko Alterung 52

53 Was ist Lithium-Plating? Lasermikroskopaufnahme einer geplateten Anode 53

54 OCV [V] Wann entsteht Lithium-Plating? Gesteuert durch lokales Anodenpotential < 0 V moderate Temperatur 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Einflussfaktoren: Anodenüberschuss Diffusion Ladungstransfer SEI tiefe Temperatur Jede Zelle verhält sich anders! Beladungsgrad 54

55 Temperaturabhängigkeit Kokam 40 Ah Hochleistungszelle C/C init C 0 C 10 C 1 C, CV Phase von 45 min äquivalente Vollzyklen R/R init C 0 C 10 C äquivalente Vollzyklen Tiefere Temperatur führt zu stärkerer Alterung Zelle ist für 0 C Laden spezifiziert 55

56 Einfluss von Stromstärke Kokam 40 Ah Hochleistungszelle C 0.25C 0.1C C 0.25C 0.1C C/C init R/R init C, CV Phase von 45 min äquivalente Vollzyklen äquivalente Vollzyklen Höhere Ströme führen trotz Temperaturerhöhung zu stärkerer Alterung 56

57 Vergleich verschiedener Zelltechnologien von verschiedenen Herstellern C/C init C, 1C, CC R/R init H1 22 Ah H1 66 Ah H2 7.5 Ah H2 40 Ah H2 40 Ah H2 53 Ah H3 110 Ah H4 40 Ah äquivalente Vollzyklen äquivalente Vollzyklen Zellen altern sehr unterschiedlich unabhängig von Hersteller 58

58 Ladestrom Maximale Ladestromrate muss eingeregelt werden Funktion ist nicht-linear und abhängig von Batterietyp Alterungsfortschritt Ladezustand Temperatur Kai-Philipp Kairies