INfluence oF ageIng mechaNIsm on the mechanical and safeTY behavior of LIB cells
Das Laden und Entladen von Lithium-Ionen Batterien (LIB) geht mit unerwünschten elektrochemischen Reaktionen zwischen dem Elektrolyten und den aktiven Materialien innerhalb der Zelle einher. Abhängig von den Randbedingungen, unter denen die Batterien betrieben werden, treten unterschiedliche Degradierungseffekte auf, die das mechanische Verhalten und vor allem die Sicherheit von LIBs beeinflussen. Die Auswirkung dieser Veränderungen auf die Batteriesicherheit steht im Mittelpunkt dieses Projektes.
Zielsetzung:
Festlegung einer Methode zur Bewertung des Sicherheitszustands von LIBs bei einem Verkehrsunfall unter Berücksichtigung der Produkthistorie, um alle an einem Unfall beteiligten Personen aber auch die Umgebung bestmöglich zu schützen.
Forschungsfragen:
Wie wirken sich die spezifischen elektrischen und elektrochemischen Alterungseinflüsse von LIB-Zellen und LIB-Modulen auf ihr mechanisches und sicherheitsrelevantes Verhalten im Crash-Lastfall aus? Sind gealterte LIB-Zellen und LIB-Module nach einem Crash noch sicher für den Einsatz im Fahrzeug? Diese Forschungsfrage knüpft dabei inhaltlich an das Vorgängerprojekt "SafeBattery" an.
Folgende Untersuchungen werden durchgeführt um diese Forschungsfrage eingehend beantworten zu können:
Einfluss elektrischer Alterungsstrategien
- Untersuchung des mechanischen Verhaltens von frischen, beschleunigt gealterten LIBs und LIBs, die in einem Elektrofahrzeug verwendet wurden
Einfluss der elektrischen und elektrochemischen Alterung von aktuellen LIB-Zellen und LIB-Modulen auf ihr mechanisches und sicherheits-relevantes Verhalten im Crash-Lastfall
- Eingehende Untersuchungen des mechanischen Verhaltens von gealterten Zellen bei verschiedenen Lastfällen im Vergleich zu frischen Batterien.
- Identifizierung aller aufgetretenen Degradationsmechanismen
- Identifizierung des Einflusses der elektrischen Alterung auf das mechanische Verhalten und den Ausfall der LIB
- Untersuchung des Einflusses von Randbedingungen (z.B. Druckverteilung, Temperatur) auf Alterungs- und Quellungsmechanismen in einem Batteriezellenstapel im Vergleich zu Einzelzell-Versuchen
- Identifizierung von Parametern, die auf zerstörungsfreie Weise erfasst werden können und eine Korrelation mit der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufweisen (Ableitung entsprechender Metriken)
- Identifizierung der mechanischen Eigenschaften (z. B. Belastungsschwellen für Zug, Druck oder Scherung, Steifigkeit, Rateneffekte, Energiedissipation), die am empfindlichsten auf Alterungseffekte reagieren
Einfluss der elektrischen und elektrochemischen Alterung auf „all-solid-state“ LIB-Zellen
- Untersuchungen von Grenzflächenalterungseffekten und Versagensmechanismen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck werden mit elektrochemischen Mitteln und einer Vielzahl spektroskopischer Techniken untersucht. Zu diesem Zweck werden drei Modelle von Festkörperzellen verwendet, die sich in Bezug auf den Festelektrolyten unterscheiden (LiBH4-basiert, Thiophosphate, Li7La3Zr2O12 vom Granattyp)
- Verbessertes Verständnis der Grenzflächeneigenschaften der Li|Elektrolyt-Region und der Li|Kathoden-Grenzfläche.
- Verständnis von Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen; insbesondere werden Li+-Ionentransferprozesse und Ionendynamik durch Breitband-Impedanzspektroskopie und Li-NMR untersucht
Abbildung des mechanischen Verhaltens von gealterten Zellen in expliziten Finite-Elemente-Modellen
- Entwicklung einer expliziten FEM-DLM (Finite Element Method - Detailled Layer Model) einer gealterten LIB-Zelle, um die detaillierten Mechanismen innerhalb einer elektrisch gealterten Zelle unter Crash-Belastung zu untersuchen
- Verständnis der wichtigsten Alterungsmechanismen, die die mechanischen Eigenschaften einer LIB beeinflussen, und Erstellen geeigneter Modellierungsansätze
Sicherer längerer Einsatz von LIB-Zellen und LIB-Modulen, die einer Stoßbelastung ausgesetzt waren
- Untersuchung, ob gealterte LIB-Zellen nach einem Fahrzeugcrash noch sicher betrieben werden können. Dies beinhaltet Untersuchungen zur elektrischen Alterung sowie zu möglichen weiteren Crashbelastungen.
- Grundlagenforschung darüber, wie singuläre Ereignisse (z.B. kleine Verformung der Batterie im Zuge eines Crashs) ihr Verhalten im weiteren Gebrauch beeinflussen. Gibt es Effekte, die zu einer beschleunigten Degradation führen können?
