Verfahren zur Charakterisierung und. Modellierung. von Lithium-Ionen Zellen. von. Jan Philipp Schmidt. ^KIT Scientific. Publishing

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1 Verfahren zur Charakterisierung und Modellierung von Lithium-Ionen Zellen von Jan Philipp Schmidt ^KIT Scientific Publishing

2 Widerstände 1 Einleitung Motivation Zielsetzung dieser Arbeit Gliederung der Arbeit 3 2 Grundlagen der Lithium-Ionen Zelle Galvanische Zelle Funktionsprinzip Thermodynamik Systemkomponenten Anode Kathode Elektrolyt Separator Gehäuseform Sicherheit Thermisches Verhalten einer Lithium-Ionen Zelle Wärmeentstehung Grundlagen der Wärmeübetragung Definition wichtiger Größen 17 3 Stand der Technik: Charakterisierung des elektrochemischen Verhaltens Kapazitätsbestimmung Leerlaufspannung und Interkalationspotentiale Relaxationsmessungen Konstantstrommessung Zyklische Voltammetrie CV Elektrochemische Impedanzspektroskopie Messprinzip Parameterwahl Kontaktierung und Induktivität Erweiterungen der EIS Kramers-Kronig Beziehung Verteilungsdichtefunktion der Relaxationszeiten DRT Zeitbereichverfahren RT Modellbasierte Verfahren 33

3 3.6.3 Transformation in den Frequenzbereich 33 4 Stand der Technik: Charakterisierung des thermischen Verhaltens Reaktionsentropie AS Kalorimetrie Potentiometrische Messung Dynamisches Verhalten 38 5 Stand der Technik: Modellierung Klassifizierung der Batterie-Modelle Leerlaufspannungsmodell Einzelne Elektroden Vollzellenspannung Hysterese Thermische Modelle Physikalische Modelle Ersatzschaltungsmodelle Wärmequellterme 46 6 Charakterisierung des elektrochemischen Verhaltens Bestimmung der Interkalationspotentiale und der Leerlaufspannung Messungen Vergleich der Leerlaufspannungen Extrapolation der Konstantstrommessungen Auswertung der differentiellen Kapazität (ICA) Auswertung der differentiellen Spannung (DVA) Zusammenfassung Elektrochemische Impedanzspektroskopie Bewertung verschiedener Kontaktierungsvarianten Messungen an kommerziellen Zellen Pulse-Fitting Messprinzip Sensitivitätsanalyse und Fehlerbetrachtung Kombination der Pulsmessung mit der EIS Erweiterung um die Schätzung der Selbstentladung Messung an Zellen des Typs HP-NCA Messung an Zellen des Typs HP-LFP Vergleich mit einem FFT-Verfahren Diskussion Zusammenfassung 94 7 Charakterisierung des thermischen Verhaltens Messung der Zelltemperatur über die Impedanz Messverfahren Experimentelles 96

4 7.1.3 Messergebnisse Diskussion Zusammenfassung Charakterisierung des dynamischen thermischen Verhaltens ETIS via AS ETIS via Pei ETIS via Pei-Sprung Diskussion und Vergleich der Verfahren Zusammenfassung Bestimmung der Reaktionsentropie AS Potentiometrische Messung Messung via ETIS Diskussion der Verfahren Zusammenfassung Modellierung Leerlaufspannungsmodell Kennlinienbasiertes Leerlaufspannungsmodell Verwendung als virtuelle Li-Referenzelektrode Diagnose von Alterungsmechanismen Erweiterung auf Blends Diskussion der Modelle Zusammenfassung Impedanzmodell der Elektrochemie Synthese von Modellen mittels der DRT Erweiterte Zustandspropagation Validierungsprofil und Gütekriterien Simulation und Validierung Erweiterung auf ortsaufgelöste Impedanzmodelle Zusammenfassung Thermisches Modell Modellierung der Wärmequellen Wärmeübertragungsmodell Zusammenfassung Gekoppeltes thermisches und elektrochemisches Modell Simulation und Validierung Diskussion Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Charakterisierung Modellierung 202

5 Literaturverzeichnis 203 Abkürzungsverzeichnis 223 Symbolverzeichnis 225 Anhang 227 A Mehrdeutigkeit von Ersatzschaltungsmodellen 227 B Analytische Beschreibung thermischer Impedanzen 229 B.l Beschreibung thermischer Systeme als Vierpol 229 B.2 System mit verteilten Parametern 231 B.3 Volumetrisch verteilte Wärmequelle 233 C Zustandsraumdarstellung des thermischen Modells 235 D Interpolation der Arbeitspunkte 238 D.l Interpolation des SOCs 239 D.2 Interpolation der Temperatur 240 E Übersicht der verwendeten Zellen 242 F Studentische Arbeiten 244 G Veröffentlichungen 245 H Konferenzbeiträge 246