Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen
Mechanismen und Möglichkeiten zur Verlängerung der Batterielebensdauer
Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen
Die Lebensdauer von Batteriezellen wird durch Alterungsmechanismen auf Zell-, Elektroden- und Materialebene begrenzt. Diese Alterungsmechanismen lassen sich durch die Demontage der Zellen und die anschließende Materialcharakterisierung (sogenannte Tear-Down- bzw. Post-Mortem-Analyse) aufklären. Der Schwerpunkt dieses Seminars liegt auf kommerziellen Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen.
Im ersten Teil dieses Seminars werden allgemeine Grundlagen sowie typische Batteriematerialien, Zelldesigns und die Methodik zur Zellöffnung und Post-Mortem-Analysen behandelt. Konkrete Zellöffnungen werden auf der Grundlage aktueller Literatur und Beispielen aus über 15 Jahren Laboralltag gezeigt. Insbesondere werden verschiedene Analysemethoden (einschließlich SEM, EDX, ICP, GD-OES, CT usw.) und deren physikalische und chemische Grundlagen behandelt. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, welche Alterungsmechanismen mit welchen Methoden nachgewiesen werden können.
Zu den typischen Materialien in kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen zählen Graphit, SiOx/Graphit- oder Si/Graphit-Materialien für die Anode sowie NMC, LFP oder NCA für die Kathode. Im Gegensatz dazu verwenden kommerzielle Natrium-Ionen-Zellen meist Hardcarbon-Anoden und NFM-Kathoden. Auch Elektrolyte, andere inaktive Materialien und typische Zelldesigns (zylindrisch, pouch, prismatisch, Tabelss) werden behandelt.
Im zweiten Teil werden bekannte Alterungsmechanismen behandelt (z. B. Li-Plating/Na-Plating, SEI-Wachstum, Gasbildung, Degradation von Si-Verbindungen, Partikelbrüche, Elektrodenrisse, Jellyrollverformung, Poreclogging, Auflösung von Übergangsmetallen, EMSI, ...). Es werden auch Beispiele für systematische Materialvariationen in Pilotzellen angeführt. Abschließend werden Möglichkeiten zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium und Natrium-Ionen-Zellen aufgezeigt, wie beispielsweise optimierte Schnellladeverfahren oder optimierte Betriebsfenster (Spannungsbereich, Temperaturbereich, C-Rate). Auch Sicherheitsaspekte bei Second-Life-Anwendungen werden behandelt. Die Inhalte des Seminars basieren auf den eigenen Erfahrungen des Referenten (seit 2011) sowie der aktuellen Fachliteratur.
Zum Thema
Batterien in Fahrzeugen und stationären Anwendungen sollten so lange wie möglich funktionieren – das heißt, sie sollten so wenig Kapazität und Energie wie möglich einbüßen. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen wird durch Alterungsmechanismen auf Materialebene begrenzt. Diese lassen sich durch Post-Mortem-Analysen (Tear-Down-Analyse) und anschließende physikalisch-chemische Materialcharakterisierung aufklären. Sind die Alterungsmechanismen für einen bestimmten Zelltyp bekannt, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um dessen Lebensdauer gezielt zu verlängern. Durch die Verlängerung der Lebensdauer und gegebenenfalls die Wiederverwendung der Zellen in Second-Life-Anwendungen lässt sich die Nachhaltigkeit weiter verbessern und die Abhängigkeit von kritischen Ressourcen verringern. Der Schwerpunkt dieses Seminars liegt auf kommerziellen Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen.
Zielsetzung
Dieses Seminar bietet einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu den Alterungsmechanismen in kommerziellen Lithium- und Natrium-Ionen-Zellen. Es werden Möglichkeiten zur Verlängerung der Batterielebensdauer auf der Grundlage optimaler Betriebsfenster, Schnellladeverfahren und Zelldesigns erläutert und Einblicke in Post-Mortem-Analysen vermittelt.
Teilnehmerkreis
- Experten und Führungskräfte aus der Industrie (F&E, Qualitätssicherung)
- Wissenschaftler und Nachwuchsforscher (Doktoranden, Postdocs, Studierende)
Programm
Referenten
2024:
Habilitation "'Aging mechanisms in Lithium-ion cells – detection, attenuation, and practical consequences'", ZSW, Universität Ulm
Seit 2022:
Teamleiter Post-Mortem-Analysen und Alterungsmechanismen, ZSW, Ulm
Principal Investigator (PI) beim Helmholtz-Institut für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU), Ulm
Seit 2018:
Teamleiter Post-Mortem-Analysen und Alterungsmechanismen, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm
2011 bis 2017:
Wissenschaftler / Projektleiter, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm
2007 bis 2011:
Doktorand, Institut für Oberflächenchemie und Katalyse, Universität Ulm
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Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen
Wie hat sich die Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen und deren Alterungsmechanismen in den letzten Jahren entwickelt, und welche technologischen Fortschritte wurden erzielt?
Seit der Markteinführung der Lithium-Ionen-Batterien hat sich die Energiedichte durch stetige Weiterentwicklung ungefähr verdreifacht. Diese Entwicklung ist momentan noch nicht abgeschlossen, so dass die Energiedichte weiter ansteigen wird. Mit der Zeit wurden andere Materialen verwendet, damit änderten sich auch die Hauptalterungsmechanismen, also die Hauptgründe auf Material- und Elektrodenebene für den Kapazitätsverlust und Innenwiderstandsanstieg. Beispielsweise werden heutzutage in kommerziellen Zellen zunehmend Silizium/Graphitanoden eingesetzt.
Welche spezifischen Alterungsmechanismen sind bei Lithium-Ionen-Zellen am prominentesten, und wie beeinflussen sie die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Batterien?
Bei aktuellen Lithium-Ionen-Zellen tritt oft das Wachstum der Solid-Electrolyte-Interphase (SEI)-Schicht auf der Anode auf. Das SEI Wachstum konsumiert zyklisierbares Lithium und führt so zu Kapazitätsverlusten und zum Anstieg des Innenwiderstands. Beim Laden bei tiefen Temperaturen dominiert der Alterungsmechanismus Lithium-Plating, bei dem Lithiummetall auf der Anode abgeschieden wird, das dann mit Elektrolyt abreagiert oder elektrisch dekontaktiert wird. Lithium-Plating kann zu sehr schneller Alterung führen.
Welche Rolle spielen Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Schnellladen, bei der Alterung von Lithium-Ionen-Zellen und wie können diese Faktoren optimiert werden, um die Batterielebensdauer zu verlängern?
Umgebungsbedingungen können die Alterung von Lithium-Ionen-Zellen stark beeinflussen. Beispielsweise führen steigende Temperaturen bei der kalendarischen Alterung im Allgemeinen zu schnellerer Alterung. Schnellladen kann beispielsweise zu lokalen Lithiumabscheidungen auf der Anode führen, die die Alterung beschleunigen. Wenn diese Abhängigkeit der Alterungsmechanismen von den Umgebungsbedingungen für einen Zelltyp bekannt ist, kann diese genutzt werden, um die Lebensdauer zu verlängern.
Wie unterscheiden sich die Alterungsmechanismen in verschiedenen Anwendungsbereichen des Automotive-Sektors, beispielsweise in Elektro-PKWs im Vergleich zu Elektro-LKWs?
In PKWs kann davon ausgegangen werden, dass das Fahrzeug die meiste Zeit geparkt wird, d.h. es kommt vor allem zu kalendarischer Alterung. Bei LKWs ist dies umgekehrt, so dass der zyklische Anteil (Ladung und Entladung) einen größeren Teil einnimmt als die kalendarische Alterung.
Welche Bedeutung haben neue Materialien und Zellchemien bei der Reduzierung der Alterungsprozesse von Lithium-Ionen-Zellen, und welche vielversprechenden Entwicklungen gibt es in diesem Bereich?
Die verwendeten Materialen bzw. die Zellchemie aber auch die daraus hergestellten Elektroden haben einen großen Einfluss auf die Alterung. Beispielsweise können Elektrolytadditive eingesetzt werden, die die Gasbildung bei hohen Potentialen verringern.
Welche Rolle spielen Ladestrategien bei der Alterung von Lithium-Ionen-Zellen und wie können optimale Betriebsstrategien gestaltet werden, um die Batterielebensdauer zu maximieren?
Ladestrategien haben einen starken Einfluss auf die Alterung und können den Alterungsmechanismus Lithium-Plating vermindern bzw. verhindern. Dies ist durch die Verhinderung von negativen Anodenpotentialen vs. Li/Li+ in 3-Elektrodenvollzellen möglich. Aus Messungen mit solchen Zellen im Labor kann man optimale Ladestrategien und Schnellladeprofile auch für größere Zellen ableiten. Solche optimierten Ladeprofile können die zyklische Lebensdauer der Batteriezellen stark erhöhen und so zu mehr Nachhaltigkeit beitragen.
Wie wichtig ist die Batteriediagnose und -überwachung, um den Zustand der Lithium-Ionen-Zellen in Fahrzeugen zu bewerten und frühzeitig potenzielle Alterungsprobleme zu erkennen?
Die Überwachung/Diagnose von Batterien in Fahrzeugen ist sehr wichtig, da nur so ihr Alterungszustand bewertet werden kann. Der state-of-health (SOH) ist ein Maß für den Alterungsgrad einer Batterie, wobei 100% der Neuzelle entspricht. Während der Alterung nimmt der SOH kontinuierlich ab.
Wie kann die Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Zellen verbessert werden, um Umweltauswirkungen zu minimieren und wertvolle Rohstoffe zu schonen?
Zum einen können Batterien durch optimale Betriebsstrategien in einer Anwendung länger genutzt werden, da die Hauptalterungsmechanismen verlangsamt oder unterbunden werden. Zum anderen können Batterien in sogenannten Second-Life-Anwendungen eine weitere Verwendung finden, bevor sie recycelt werden. Weiterhin wird aktuell an Co-freien Kathodenmaterialen geforscht.
Preise
mehrwertsteuerfrei, einschließlich veranstaltungsgebundener digitaler Arbeitsunterlagen sowie Catering und Getränken bei Präsenz-Teilnahme
Ausgewählter Termin
Di. 20.10.2026, 18:00 Uhr
Hollestr. 1
45127 Essen
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Katharina Röder
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