Methoden zur Auslegung einer für das Schnellladen optimierten Lithium-Ionen-Batteriezelle

Die Schnellladefähigkeit des Batteriespeichers stellt einen wichtigen und kundenrelevanten Aspekt für die Kaufentscheidung eines elektrisch-angetriebenen Fahrzeuges (engl.: battery electric vehicle, BEV) dar. Auch wenn sich die Ladezeit eines BEV in den letzten Jahren deutlich verkürzt hat, ist es immer noch ein essentielles Thema für die gesellschaftliche Akzeptanz der Elektromobilität. Aus diesem Grund steht die Verbesserung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, als Herzstück des Batteriespeichers, im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Als Hauptursache für die Begrenzung der Schnellladefähigkeit auf Zellebene ist Lithium-Plating als schadhafte Nebenreaktion bereits identifiziert. Lithium-Plating ist jedoch, ohne die Batteriezelle öffnen zu müssen, derzeit nur schwer zu detektieren. Die große Herausforderung liegt in der ge-nauen Bestimmung des Zeitpunktes, an dem Lithium-Plating während des Ladens einsetzt, um die Schnellladefähigkeit der Batteriezelle quantifizieren und Untersuchungen zur bestmöglichen Optimierung der Zelle ermöglichen zu können.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur methodischen Vorgehensweise bei der Auslegung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle hinsichtlich einer Verbesserung der Schnellladefähigkeit liefern. Nur durch ein tiefgehendes Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehung zwischen Prozessparametern der Elektrodenproduktion, der Struktur der Elektrode und den resultierenden Eigenschaften der Zelle ist es möglich, Stellhebel zu identifizieren, die eine Verbesserung der Schnellladefähigkeit bewirken. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung einer Methodik, die einerseits die einfache Bewertung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ermöglicht und andererseits eine Verbindung zwischen Elektrodeneigenschaften und den resultierenden Zellei-genschaften herstellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, welche mithilfe des Spannungssignals der Lithium-Ionen-Batteriezelle das Einsetzen von Lithium-Plating während des Ladens bestimmt und dadurch eine einfach umsetzbare und genaue Quantifizierung der Schnellladefähigkeit ermöglicht. Im Zusammenhang mit weiteren Methoden zur Charakterisierung der Elektrodenstruktur wird eine Methodik entwickelt, um den Einfluss auf die Schnellladefähigkeit der Li-thium-Ionen-Batteriezelle von einzelnen Prozessparametern oder -schritten untersuchen zu können. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit wird die Methodik an unterschiedlichen Stellen der Batteriezellproduktion angewendet, um exemplarisch Stellhebel zur Verbesserung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zu identifizieren. Die Untersuchung der Materialzusammensetzungen der Anode verdeutlicht den Einfluss von Binder und Leitzusatz auf die Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Während eine Erhöhung des Binderanteils zu einer Verringerung des ionischen Widerstandes der Anode führt und damit die Schnellladefähigkeit reduziert, kann durch die große Oberfläche des Leitzusatzes der Binder adsorbiert und dessen negativer Einfluss kompensiert werden. Die Untersuchung der Pasten-Dispergierung der Anode verdeutlicht, dass Graphit-Partikel vergleichsweise fragil sind und eine schonende Prozessierung notwendig ist. Anderenfalls entstehen Partikelbruch-stücke, welche die poröse Struktur der Anode blockieren, den ionischen Widerstand dadurch erhöhen und zu einer Verringerung der Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen. Die Untersuchung der Elektrodenverdich-tung verdeutlicht ein Optimierungsproblem zwischen der Porosität und Schicht-dicke der Anode in Abhängigkeit zur volumetrischen Kapazität und Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Verdichtung der Anode muss dem-nach in Abhängigkeit zur volumetrischen Kapazität eingestellt werden, da an-sonsten eine zu niedrige Porosität oder zu hohe Schichtdicke zu einer unnötigen Erhöhung des ionischen Widerstandes, beziehungsweise einer Verringerung der Schnellladefähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen kann.
Die vorliegende Arbeit kann als methodische Hilfestellung zur Optimierung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle herangezogen werden. Durch die Untersuchung anderer Prozessschritte können weitere Stellhebel identifiziert werden, welche die Auslegung der Lithium-Ionen-Batteriezelle hin-sichtlich der Schnellladefähigkeit weiter verbessern kann. Die Methode zur Bestimmung der Schnellladefähigkeit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann darüber hinaus zur Untersuchung von Zellauslegungen oder äußeren Einflüssen wie Temperatur und Zellverspannung genutzt werden.