In dieser Arbeit werden drei verschiedene SEI-Interaktionstheorien identifiziert und systematisch verglichen und auf experimentelle Degradationsdaten aus einer kommerziellen Lithium-Ionen-Zelle angewandt. Sie zeigt, dass SEI-Delaminierung ohne Rissbildung der aktiven Partikel und SEI-Mikrorissbildung, bei der die Zyklen nur das SEI-Wachstum während des Zyklus selbst beeinflussen, beide unwahrscheinliche Kandidaten sind.
Die Autoren: Alexander Karger, Simon E. J. O'Kane, Marcel Rogge, Cedric Kirst, Jan P. Singer, Monica Marinescu, Gregory J. Offer, Andreas Jossen
Degradationsmodelle sind wichtige Instrumente für das Verständnis und die Minderung der Alterung von Lithium-Ionen-Batterien, doch ein universelles Modell, das die Degradation unter allen Betriebsbedingungen vorhersagen kann, ist nach wie vor schwer zu finden. Eine Herausforderung ist der gekoppelte Einfluss von Kalender- und Zyklusalterungsphasen auf die Degradationsmechanismen, wie z. B. die Bildung einer festen Elektrolytinterphase (SEI).
In dieser Arbeit identifizieren und vergleichen wir systematisch drei verschiedene SEI-Interaktionstheorien aus der Literatur und wenden sie auf experimentelle Degradationsdaten aus einer kommerziellen Lithium-Ionen-Zelle an. In einem schrittweisen Prozess und nach sorgfältiger Datenauswahl zeigen wir, dass SEI-Delaminierung ohne Rissbildung der aktiven Partikel und SEI-Mikrorissbildung, bei der die Zyklen nur das SEI-Wachstum während des Zyklus selbst beeinflussen, beide unwahrscheinliche Kandidaten sind.
Stattdessen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sowohl die SEI als auch die aktiven Partikel bei Zyklen reißen, und wir stellen eine einfache 4-Parameter-Gleichung auf, mit der die Partikelrissrate vorhergesagt werden kann. Im Gegensatz zum weithin akzeptierten Pariser Gesetz nimmt die Partikelrissrate mit zunehmenden Zyklen ab, was möglicherweise auf eine veränderte Interkalationsdynamik zurückzuführen ist, die sich aus dem zunehmenden Oberflächen-Volumen-Verhältnis der aktiven Partikel ergibt. Das vorgeschlagene Modell sagt die SEI-Bildung bei verschiedenen Lagerungsbedingungen genau voraus, während eine einfache Addition der Degradation durch reine Kalender- und Zyklusalterung die Gesamtdegradation unterschätzt.
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Alexander Karger ist Batterie- und Machine-Learning-Ingenieur bei TWAICE, wo er an der Entwicklung modernster Batteriemodelle für das elektrische, thermische und Alterungsverhalten arbeitet. Gleichzeitig promoviert er am Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik von Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen an der Technischen Universität München (TUM) und publiziert regelmäßig seine neuesten Erkenntnisse. Er hat einen Master in Luft- und Raumfahrttechnik und studierte an der TUM und der Universität Stuttgart. Seine Karriere umfasst Erfahrungen bei Porsche und GE Aviation. Er ist seit 2019 bei TWAICE tätig, ursprünglich um seine Masterarbeit abzuschließen.
Cedric Kirst ist Batterieingenieur bei der TWAICE Technologies GmbH, wo er seit August 2018 arbeitet. Außerdem ist er seit März 2023 als Associate Researcher am TUM-Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik tätig.
Cedrics beruflicher Werdegang umfasst eine bedeutende Zeit als Student Assistant an der Bundeswehr Universität München von Januar 2017 bis Oktober 2019. Wertvolle Branchenerfahrung sammelte er auch während seines Praktikums bei IBM Research Dublin, wo er an dem von der Europäischen Union finanzierten Projekt EnableS3 teilnahm.
Cedric hat einen Master of Science in Mechatronik, Robotik und Automatisierungstechnik von der Technischen Universität München, den er 2020 abschloss. Außerdem erwarb er 2018 einen Bachelor of Science in Ingenieurwissenschaften an der gleichen Hochschule.
Dr. Jan Singer ist Engineering Manager bei TWAICE, wo er sich hauptsächlich mit Labormessungen und Batteriemodellen beschäftigt. Bevor er 2019 zu TWAICE kam, war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichersysteme, Institut für Photovoltaik, Universität Stuttgart, Deutschland. Während seines Promotionsstudiums unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Kai Peter Birke konzentrierte er sich auf den Nachweis von elektrochemischen Effekten, die durch Volumendehnungen induziert werden, und die Entwicklung neuer zerstörungsfreier Charakterisierungsmethoden für Lithium-Ionen-Zellen. Seine berufliche Laufbahn begann er 2006 als Mechatroniker bei Harman/Becker Automotive Systems. Im Jahr 2012 schloss er sein Bachelorstudium an der Hochschule Ulm ab. 2015 machte er an der Universität Stuttgart seinen Master of Science.