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Titel der Dissertation:

Elektrochemische Charakterisierung und systemtechnische Diagnose von Lithium-Ionen-Batterien

2025

Betreuender Lehrstuhl:

Elektrische Energiesysteme

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.