Batterietechnik in der Lehre und Weiterbildung

Ein mehrstufiges Lehrkonzept

Die Teilnehmer sollen anhand der Vorlesungen, Labore und Simulationsmodelle tiefe Einblicke in den Aufbau, die Funktion, die Herstellung und den Betrieb von modernen Li-Ionen Zellen bekommen.

Die Komplexität und das Zusammenspiel der Einzelkomponenten in der Zelle, im Batteriesystem und im Antriebsstrang werden anhand der Labore veranschaulicht.

Das Lehrkonzept erlaubt eine Stufenweise Vertiefung der Erkenntnisse. Weiteres Spezialwissen kann durch das Laborpraktikum im Rahmen eines Wahlpflichtmoduls und eines Praxissemesters erlangt werden.

 

Grundlagen der Lithium-Ionen-Batterien

Elektrochemie

  • Erklärung des galvanischen Elements
  • Erklärung und Anwendung der elektrochemischen Grundgleichungen (Gibbs, Nernst, Faraday,…), Elektrochemische Spannungsreihe

Aufbau, Funktion & Eigenschaften

  • Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie
  • Detaillierte Beschreibung der Funktion und Eigenschaften der Anode und Kathode, des Separators und Elektrolyt
  • Eigenschaften der Zell Chemie und die Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit, Alterung

Fertigung

  • Beschreibung der notwendigen Produktionsschritte, projiziert auf eine Großfertigungsanlage
  • Übersicht der fertigungs- und Materialkosten
  • Analyse der Verfügbarkeit von Zellmaterialien

 

Vermessen von Li-Ionen-Zellen

Energieschematische Analyse

  • Messung der Klemmspannung und des Ladezustands bei verschiedenen C-Raten und Temperaturen
  • Messung des inneren Widerstands für verschiedene Zellchemievarianten

Impedanzspektroskopie

  • Erklärung und Anwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie
  • Impedanzspektroskopische Messungen an verschiedenen 18650 Zellen
  • Auswertung und Interpretation der Ergebnisse

 

Modellierung von Zellen und Systemen

Modellierung

  • Beschreibung der Klemmspannung mittels mathematischer Formeln
  • Unterteilung des Spannungsverlaufs in drei bereiche (Activation Polarisation, Ohmic Polarisation, Concentration Polarisation)

Detaillierung

  • Verhalten des Innenwiderstands in Abhängigkeit der Temperatur und des SOC
  • Anpassung des Modells für stark variierende Ströme

Thermomanagement

  • Temperaturregelung zur Erhaltung des bestmöglichen Betriebspunktes
  • Berechnung der Batterieerwärmung mittels der joul’schen, reversiblen und abgeführten Wärmeleistung

 

Aufbau und Analyse von Laborzellen

Aufbau von Li-Ionen-Forschungszellen

  • Anmischen des Slurrys für Anoden- und Kathodenmaterialen
  • Beschichten der Elektroden, Zellbefüllung
  • Durchführung der Formierung, Beobachtung der SEI Bildung
  • Inbetriebnahme der Zelle

Zyklisierung und Charakterisierung 

  • Zyklisierung der Zelle mittels eines Galvanostaten/ Potentiostaten
  • Beobachtung des SOH über mehrere Wochen
  • Analyse der Voll- und Halbzellenpotentiale

Zyklisierung einer Zelle

Analyse Materialien und Alterung

  • Nach der Zyklisierung werden impedanzspektroskopische Messungen gemacht und mit dem Anfangszustand verglichen
  • Die Materialien werden entnommen und die Alterungsphänomene mittels optischer Messmethoden analysiert

 

Zerlegung und Abuse Tests

Zerlegung von Vollzellen

  • Im Rahmen der Labore werden 18650 Zellen zerlegt und analysiert
  • Es werden gravimetrische- und optische Methoden eingesetzt um die Materialien und den Zellaufbau zu verstehen und zu analysieren

Nail-Penetration-Tests Durchstechen einer Zelle mit NPT

  • Es werden Nail-Penetration-Tests durchgeführt
  • Das Reaktionsverhalten von drei Zellchemievarianten (LFP, NMC, NCA) wird in Abhängigkeit der Temperatur und SOC untersucht

 

Optisch zugängliche Li-Ionen Zellen

Aufbau optisch zugänglicher Zellen

  • Im Rahmen des Praxissemesters werden optisch zugängliche Forschungszellen mit verschiedenen Materialien und Auslegungen aufgebaut
  • Während des Zellbetriebs werden In-Situ Messungen durchgeführt

Aufbau einer optisch zugänglichen Zellen

 

Optische Aufbereitung von Vollzellen

  • Li-Ionen Zellen werden optisch aufbereitet, so dass der Zellwickel sichtbar wird
  • Es können optische Messungen zur Oberflächenbeschaffenheit der Zellmaterialien durchgeführt werden

Querschnitt einer 18650 Rundzelle

 

Anwendung optischer Messtechnik

  • Laser Scanner Mikroskopie
  • Lichtmikroskopie mit anschließender digitaler Bildverarbeitung mittels Matlab Simulink
  • Ramann-Spektoskopie zur lokalen Ladungsbestimmung

3D-LSM Aufnahmen von Elektroden

 

Nail-Penetration-Test (NPT)

NPT-Prüfstand

Prüfstand zur Durchführung des Abuse-Tests: „Nail-Penetration-Test“ an kommerziell erhältlichen Zellen.

Es können sowohl 18650 Zellen als auch andere Zellarten wie z.B. Pouchzellen getestet werden.

Dabei wird ein Nagel mit einer maximalen Vorschubskraft von 3 kN und einer Mindestgeschwindigkeit von 8 cm/s (siehe SAE J2464) in eine Batteriezelle getrieben. 

Der Prüfstandsaufbau umfasst:

 

  • Sicherheitsbehälter mit VSG Sicherheitsglas
  • Sicherheitseinrichtungen (z.B.: Not-Aus, Kontaktschalter in der Tür)
  • Absaugung mit Filtersystem
  • Software zur Einstellung von Verfahrwegen und Beschleunigung