ISBN 978-3-8439-2655-3

978-3-8439-2655-3, Reihe Ingenieurwissenschaften

Matthias Lepiorz
Betriebsbedingte Alterung von Lithium-Ionen Batterien in stationären und mobilen Anwendungen

186 Seiten, Dissertation Technische Universität München (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Lithium-Ionen Batterien finden aufgrund ihrer Energie- und Leistungsdichte zunehmende Verbreitung in der Elektromobilität und bei der stationären elektrischen Energiespeicherung. Abhängig von den Betriebsbedingungen sinkt die Zellkapazität jedoch über die Nutzungsdauer. Das ausgedehnte Spektrum von Anwendungsbereichen sowie eine wachsende Anzahl verschiedener Zellchemien mit unterschiedlichen Alterungsmechanismen resultieren in der Notwendigkeit, anwendungs- und zellspezifische Betriebsstrategien zu entwickeln.

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der betriebsbedingten Alterung kommerziell hergestellter Lithium-Ionen Zellen mit Lithium-Eisenphosphat-Kathoden (LFP) sowie die Prüfung der Übertragbarkeit ermittelter Rückschlüsse auf Zellen mit oxidbasierten Kathoden. Der Fokus lag auf der Untersuchung des Einflusses definierter Vorbehandlungen kommerzieller LFP-Zellen nach der Produktion sowie des Einflusses von Reihenfolgen verschiedener Betriebsweisen auf beide Zellchemien. Die Ergebnisse für LFP-Zellen zeigen, dass der Kapazitätsverlust durch eine gezielte initiale Vorbehandlung im nachfolgenden Betrieb um bis zu 50 % gesenkt werden kann. Während der Teilzyklisierung beeinflusst der Ladezustandsbereich den Kapazitätsverlust um den Faktor zwei. Die Wahl einer schonenden Reihenfolge von Stromstärken reduziert den Kapazitätsverlust der Zellen um 10 %, eine schonende Reihenfolge von Entladetiefen um 20 %. Für Zellen mit oxidbasierten Kathoden fiel der Einfluss von Reihenfolgen verschiedener Betriebsweisen um den Faktor drei bis fünf geringer aus.

Aus den Ergebnissen wurde beispielhaft eine alterungsschonende Betriebsstrategie für die untersuchten LFP-Zellen erstellt. Hierfür wurde ihr Lebenszyklus in die Abschnitte „Vorbehandlung“, „Systeminbetriebnahme“ und „Betrieb“ aufgeteilt. Sowohl für die Vorbehandlung, als auch für die Systeminbetriebnahme werden höhere Temperaturen empfohlen. Im Betrieb sollte die Temperatur dagegen möglichst gering gehalten werden. Aus den Erkenntnissen können neue Ansätze zur Entwicklung einer optimierten Dimensionierung, Klimatisierung sowie Betriebsparameterführung für Lithium-Ionen Batterien abgeleitet werden.