Klassifizierung von elektromechanischer Alterung auf den Betriebszustand von Lithium-Ionen-Batterien
Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2019 bis 31.12.2021
Fördersumme der angegebenen
Teilprojekte: 2.074.888,00 €
Projektvolumen der angegebenen
Teilprojekte: keine Angabe
Teilprojekt 1
Förderkennzeichen: 03XP0190A
Volkswagen AG, Abteilung Konzernforschung Antriebe Batterie – K-GERAB/C
38436 Wolfsburg
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Teilprojekt 2
Förderkennzeichen: 03XP0190B
Daimler AG - Mercedes-Benz Werk Sindelfingen, Abteilung RD/EBT
71059 Sindelfingen
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Teilprojekt 3
Experimentelle Untersuchung und Simulation des mechanischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien
Förderkennzeichen: 03XP0190C
Technische Universität München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik
80333 München
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Teilprojekt 4
Förderkennzeichen: 03XP0190D
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster
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Fördergeber: BMBF, Referat 523
Projektträger: PT-J
Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien
Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung
Förderart:
PDIR
Ein wesentliches Kriterium für das Gelingen der Verkehrswende ist die Kostenreduktion von elektromobilen Energiespeichern. Ein Ansatz, um diese Kosten zu reduzieren, liegt im „Second-use“ der Speicher, welcher die „Total Cost of Ownership“ verringern kann. Hierzu ist es essenziell, den Alterungszustand von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) klassifizieren zu können, sodass eine sichere und ausreichende Funktion des Energiespeichers im „Second-use“ gewährleistet werden kann.
LIB zeigen zuerst einen geringfügigen Abfall der Kapazität bis zu einem gewissen Punkt, an dem die Kapazität meist rapide abfällt. Bis heute ist nicht verstanden, welche Prozesse zu diesem Abknicken führen und wie sich das Abknicken prognostizieren lässt.
In dem hier beschriebenen Projekt soll die Klassifizierung des Alterungszustandes ermöglicht werden. Dabei wird großer Wert auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse gelegt, sodass die erarbeiteten Methoden und Modelle nicht nur eine spezifische LIB, sondern möglichst viele LIB abbildet.
Ein bisher vernachlässigter Parameter mit Einfluss auf die LIB ist die Mechanik. Durch Druckaufbau innerhalb der Zelle aufgrund von alterungsbedingter Ausdehnung und der gleichzeitigen äußeren Verspannung in einem Modul bzw. Pack ändert sich das Verhalten einer LIB. Im Projekt soll daher weitergehend erarbeitet werden, wie sich der Druckaufbau auf die weitere Sicherheit und die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Dadurch können für den First-user (OEM) Bedingungen für den Modul- und Packbau abgeleitet werden, die eine nachhaltige Zweitnutzung erlauben.
In diesem Projekt sollen folgende wissenschaftliche und technische Arbeitsziele erreicht werden:
1. Bestimmung der Interdependenzen elektrochemischer Alterungsmechanismen
2. Bestimmung des Einflusses der mechanischen Degradation auf die Zellalterung
3. Evaluierung des Einflusses der Alterung auf die Sicherheit
4. Prognose der Alterung durch ganzheitliche Modellierung der Alterungsmechanismen über das Abknicken des Kapazitätsverlaufes hinaus.
Bisher wenig Beachtung fand die Untersuchung der mechanischen Degradation mit Fokus auf die Auswirkungen für die Lebensdauer von Zellen. In der Literatur finden sich allerdings Hinweise darauf, dass der Einfluss nicht zu unterschätzen ist. So kann beispielsweise auftretendes Lithium-Plating auf die Druckerhöhung innerhalb des Zellgehäuses durch Zyklisierung zurückzuführen sein. Auch positive Effekte eines externen Drucks auf die Zelle werden in der Literatur beschrieben. Im Projekt soll ein systematischer Vergleich der Auswirkungen des externen Druckes auf die Alterungsmechanismen detailliert durchgeführt werden.
Das Wissen zur aufgetretenen Alterung ist notwendig, um Batteriemodule in „Second-use“-Anwendungen sicher und mit den nötigen Garantien betreiben zu können. Hier sollen erstmals Interdependenzen der Alterungsmechanismen bestimmt werden. Dazu wird ein neuer innovativer Ansatz der „Alterungsmechanismus selektive Zyklisierung“ verwendet.
Die Ergebnisse der Alterungsuntersuchungen sollen das erste Mal ein übertragbares ganzheitliches Modell ermöglichen, welches auf physikalischen (anstelle von empirischen) Grundlagen basiert und die Alterung vollständig beschreiben kann.
Die im Rahmen des Projektes zu erreichenden Ziele werden zu Produktverbesserungen der Speichertechnologie führen. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Lebensdauer und Lebensdauervorhersage. Durch das Verständnis der Abhängigkeit der Lebensdauer von der Mechanik kann die Konstruktion und die Betriebsstrategie einer Lithium-Ionen Batterie für die automotive wie stationäre Anwendung optimiert werden. Schnellere und genauere Modelle zur Lebensdauervorhersage können in das Batteriemanagement eingebaut werden, wodurch Reichweite, Lebensdauer und Leistung gesteigert werden können. Die zu entwickelnden Modelle werden einen Beitrag zur Kostensenkung und Reichweitensteigerung und somit zur Erhöhung der Akzeptanz und Marktfähigkeit der Elektromobilität leisten.
Metall-Ionen-Batterien
mobil, 2nd Life und Recycling
Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien
Batteriepack/Batterie BMS
Batteriemodul
Zelle
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien Modellentwicklung
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien Methode Verspannungsprüfstand
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien untersuchte Eigenschaften Sicherheit
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien untersuchte Eigenschaften Alterung und Funktion
Sicherheit
Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung BMS Integration von Modell zur Alterung durch mechanische Belastung
Analytik und Charakterisierung Modellentwicklung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Alterung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Auswirkung von mechanischer Belastung Druck
mobil Fortbewegungsart Land Kraftfahrzeug
2nd Life und Recycling 2nd Life
Industrie
Industrie Automobil
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien
mobil Fortbewegungsart Land Kraftfahrzeug
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Elektrolyt flüssig
Zelle
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien Modellentwicklung physikalisch-empirisch
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien Methode Verspannungsprüfstand
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien untersuchte Eigenschaften Sicherheit
Second Life Verfahren- und Prüfstandentwicklung für Verwertbarkeit gebrauchter Batterien untersuchte Eigenschaften Alterung und Funktion
Analytik und Charakterisierung Modellentwicklung
Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Alterung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Alterung
Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Auswirkung von mechanischer Belastung Druck
mobil Fortbewegungsart Land Kraftfahrzeug
2nd Life und Recycling 2nd Life
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität
Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien
mobil Fortbewegungsart Land Kraftfahrzeug
Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität
Herr Dr. Volker Grajewski
Volkswagen AG
Abteilung Konzernforschung Antriebe Batterie
38436 Wolfsburg
Telefon: +49 5361 930273
Fax: +49 5361 9-32559
E-Mail: volker.grajewski@volkswagen.de
kein Pressekontakt
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