Simulation von Zellalterung und -degradation von Li-Ionen-Batterien

In unsere Simulationssoftware BEST stellen wir ein SEI-Modell zur Verfügung, welches in der Lage ist, das langfristige Wachstumsverhalten der SEI während der Lagerung (Kalenderalterung) und des Betriebs (zyklische Alterung) zu erfassen. Das Modell wird sowohl in BESTmicro als auch in BESTmeso unterstützt und berücksichtigt den SEI-induzierten Kapazitäts- und Leistungsabfall. Je nach Modell wird das inhomogene SEI-Schichtdickenprofil entlang der Oberfläche der Anodenmikrostruktur (BESTmicro) oder über die homogenisierte Elektrodenskala (BESTmeso) aufgelöst.

Befindet sich eine Li-Ionen-Batterie während der Ladung in einem nahezu vollen Ladezustand oder findet eine Schnell-Ladung statt, so besteht das Risiko eines stark fallenden Anodenpotenzials. Wird dabei ein bestimmter Grenzwert unterschritten, ist die Bildung von metallischem Lithium energetisch effizienter als die, für den Betrieb essenzielle, Interkalation, d.h. die chemische Einlagerung von Lithium in das Aktivmaterial.

Infolgedessen kommt es zur Abscheidung von Lithium an der Anodenoberfläche, welches zumindest vorübergehend dem zyklisierbaren Lithiuminventar der Zelle entnommen wird.  Dieser Vorgang wird als »Lithium-Plating« bezeichnet und weist in der Regel ein nadelartiges Wachstum in Form von Dendriten auf. Abgesehen vom Kapazitätsverlust, birgt übermäßiges Lithium-Plating die Gefahr, dass der Separator durch das Wachstum der Dendriten punktiert wird, welches in einem Kurzschluss, gefolgt von einem thermischen Durchgehen, resultieren kann.

Das Risiko für das Auftreten von Lithium-Plating wird über das Anodepotential relativ zu einer Lithiumreferenzelektrode ermittelt. Fällt die resultierende Spannung unter null, so besteht die Gefahr von Lithium-Plating. Da diese Potentiale essenzieller Bestandteil der Simulationsergebnisse unserer Software BEST sind, kann diese sogenannten Plating-Bedingung leicht überwacht und evaluiert werden. Dies ermöglicht die Bewertung des Plating-Risikos beim Testen von unterschiedlichen Zelldesigns und Betriebsprotokollen.

Während des Ladens und Entladens der Batterie wird Lithium in die Aktivmaterialien interkaliert und deinterkaliert. Darunter versteht man die reversible chemische Einlagerung von Lithium-Ionen in die molekulare Struktur der Aktivpartikel, welche die poröse Elektrode formen. Als Folge ist eine Atmung der Aktivpartikel zu beobachten. Diese Ausdehnung und Kontraktion der Partikel führt zu inneren mechanischen Spannungen auf Partikelebene, aber auch auf Zellebene. Während der Atmungseffekt bei herkömmlichen Materialien wie Graphit eher gering ist, tritt er beim Einsatz von Aktivmaterialien wie Silizium deutlich hervor.

Indem wir unsere beiden Simulationswerkzeuge BEST und FeelMath kombinieren, können wir das elektrochemische und mechanische Verhalten von Li-Ionen-Batterien erfassen und die Expansion der Zelle in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand bestimmen. Darüber hinaus haben wir ein Schädigungsmodell entwickelt, das auf Basis der inneren Spannungen ein Schädigungsfeld berechnet, mit dem die elektrochemischen Transporteigenschaften entsprechend angepasst werden können.