Lithium-Ionen Zellen Batterielebensdauer Online-Seminar

Der Termin am 13.04.2026 findet im Rahmen der internationalen Konferenz Advanced Battery Power statt. Weitere Informationen finden Sie unter www.battery-power.eu.

Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen-Zellen

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Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen-Zellen

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen ist limitiert durch Alterungsmechanismen auf Materialebene. Diese können durch Zellöffnungen und anschließende Materialcharakterisierung (sog. Post-Mortem-Analysen) aufgeklärt werden.

Im ersten Teil werden generelle Aspekte der Batteriealterung besprochen, gefolgt von der Methodik und Workflows für Post-Mortem-Analysen basierend auf aktueller Literatur sowie Beispielen aus dem Laboralltag. Speziell wird auf die unterschiedlichen Analysemethoden (u.a. REM, EDX, ICP, GD-OES, CT, ...) sowie deren physikalisch-chemische Prinzipien eingegangen. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, welcher Alterungsmechanismus mit welcher Methode detektiert werden kann.

Im zweiten Teil werden bekannte Alterungsmechanismen besprochen (z.B. Li Plating, SEI-Wachstum, Gasbildung, Partikelbrüche, Elektrodenverformung, Pore Clogging, Kontaktverlust in den Elektroden, ...). Es wird beispielhaft auf Mechanismen für unterschiedliche Materialkombinationen (Graphitanoden, Si/C Kompositanoden, NMC, NCA) eingegangen.

Abschließend werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen gezielt verlängern lässt, z.B. optimierte Schnellladeverfahren. Weiterhin wird auf Sicherheitsaspekte in Second-Life Anwendungen eingegangen. Es werden außerdem erste Einblicke in Zellöffnungen von frühen kommerziell erhältlichen Natrium-Ionen-Zellen gegeben.

Die gezeigten Seminarinhalte basieren auf eigener Erfahrung (seit 2011) des Referenten sowie auf der aktuellen Literatur.

Zum Thema

Teure Batterien im Fahrzeug und auch in der stationären Anwendung sollen möglichst lange funktionieren, d. h. nur wenig an Kapazität einbüßen. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen ist limitiert durch Alterungsmechanismen auf Materialebene. Diese können durch Zellöffnungen und anschließende Materialcharakterisierung (sog. Post-Mortem-Analysen) aufgeklärt werden. Sind die Alterungsmechanismen für einen Zelltyp bekannt, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden um die Lebensdauer gezielt zu verlängern. Durch die Lebensdauerverlängerung und ggf. eine Weiternutzung in einer weiteren Anwendung (Second-Life Anwendung) kann die Nachhaltigkeit weiter gesteigert und die Ressourcenabhängigkeit verringert werden. Zudem werden erste Einblicke in kommerzielle Natrium-Ionen-Zellen gegeben.

Zielsetzung

Das Seminar vermittelt einen Überblick zum Stand der Technik bei der Alterung und den Alterungsmechanismen von kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen. Möglichkeiten zur Verbesserung der Batterielebensdauer basierend auf optimalen Betriebsfenstern, Schnellladeverfahren und Zelldesigns werden erläutert und Einblicke in Post-Mortem Analysen gegeben.

Teilnehmerkreis

Interessenten, Fachleute und Führungskräfte aus der Industrie (F&E, Qualitätssicherung) sowie
Wissenschaftler und wissenschaftlicher Nachwuchs (Doktoranden, Post-Docs, Studenten)

Programm

Online-Seminar, 10:00 bis 18:00 Uhr

Alterung und Post-Mortem Analysen
- Definition genereller Begriffe
- Alterungseffekte auf Zellebene
- typische Zelldesigns (zylindrisch, Pouch, prismatisch)
- Post-Mortem Methodik (Umgebungsbedingungen, Ladezustand/Sicherheit, Zellöffnung, Probenbehandlung)
- Analysemethoden (u. a. REM, EDX, ICP, GD-OES, CT, …)
- Beispiele von Zellöffnungen
- Alterungsmechanismen auf Material- und Elektrodenebene (SEI-Wachstum, Li-Plating, Lokale Li-Abscheidung, Gasentwicklung, Partikelbrüche, Materialauflösung, …)
- inhomogene Alterungseffekte in Zellen, Aufheizverhalten von Zellen, Temperaturgradienten
- Zusammenhang zwischen Sicherheit und Alterung (Dendritenbildung, exotherme Reaktionen, Reinterkalation von Li in Graphit)
- Überladung und Tiefentladung
- Schnellladung, optimierte Schnellladeverfahren
- Einfluss von Schnellladung auf Alterung
- Elektrische Einflussparameter auf die Alterung, optimale Betriebsfenster
- Verlängerung der Batterielebensdauer durch gezielte Verhinderung von Alterungsmechanismen
- Sicherheit von gealterten Zellen, Second-Life Nutzung
- Zusätzlich zu den hauptsächlich gezeigten Erkenntnissen zu kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen werden auch erste Einblicke in kommerzielle Natrium-Ionenzellen gegeben

Weitere Informationen entnehmen Sie dem Flyer-Download oder besuchen Sie uns im Digitalen Campus

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.

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Referenten

PD Dr. Thomas Waldmann

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm

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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Informationen

Veranstaltungsorte:

hdt+ digitaler Campus, hdt+ digitaler Campus, Online

Haus der Technik e.V., 45127 Essen, Hollestr. 1

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