Wissenschaftliche Artikel

Quantifizierbarkeit von inhärenten Zellstreuungen bei kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien  

Leo Wildfeuer (TWAICE, Technical University of Munich), Markus Lienkamp (Technical University of Munich)

  • Experimentelle Untersuchung von 600 kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen. 
  • Analyse der externen Einflussfaktoren auf die Messung von Zellstreuungen. 
  • Saisonale und räumliche Temperaturunterschiede können die Messung verzerren. 
  • Systematische Anpassung senkt gemessene Impedanzstreuung um 50%. 
  • Geringe inhärente Kapazitäts- und Impedanzstreuung von nur 0,17 % und 0,45 %. 

Parameterschwankungen bei Lithium-Ionen-Batterien sind ein wichtiges Thema, da sie die Performance einer Batterie verringern können. Um inhärente Schwankungen aufgrund von Produktionstoleranzen zu quantifizieren, werden die Batterieparameter einer Charge einzelner Zellen experimentell bestimmt. Die neuesten Studien zeigen Kapazitätsschwankungen von 0,2 %-0,3 % und Impedanzschwankungen von 0,7 %-3,8 %. Motiviert durch die Frage, warum die Impedanzschwankungen durchweg höher sind als die Schwankungen anderer Parameter, zeigen wir, dass die durch Produktionstoleranzen verursachten inhärenten Parameterschwankungen von den Auswirkungen eines ungenügenden Messaufbaus mit beeinflusst werden.

Durch die Aufschlüsselung der externen Einflussfaktoren auf die eigenen experimentellen Ergebnisse einer Charge von 600 kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen sowie eines zuvor veröffentlichten Datensatzes haben wir herausgefunden, dass die Parameterabweichungen durch zeitliche und räumliche Temperaturunterschiede während der Experimente erheblich verzerrt werden. Durch die systematische Kompensation dieser Effekte wird die Widerstandsschwankung um fast 50 % auf nur 0,45 % reduziert. Dies ist der kleinste bisher berichtete Wert und liegt in unserem Fall näher an der Schwankung von Kapazität (0,17 %) und Gewicht (0,11 %). 

Die Kompensation wird durch eine Monte-Carlo-Simulation des Ladungsdurchtrittswiderstands und der Zelltemperatur gerechtfertigt, die die gegenseitige Wechselwirkung von Widerstandsvariation und Temperaturschwankungen aufzeigt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass extrinsische Temperaturabweichungen von nur 0,5 °C zu Widerstandsschwankungen von mehr als 1,5 % führen können. Auf der Grundlage unserer Ergebnisse empfehlen wir, in Systemsimulationsmodellen geringere anfängliche Parameterschwankungen einzubeziehen und das Augenmerk auf externe Ursachen für Parameterstreuungen wie z.B. Temperaturinhomogenitäten zu legen.


Autor: TWAICE

Veröffentlicht: 02. September 2021

Ort: München

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