Simulation and Locally Resolved Measurement of Current Distribution and Impedance Spectroscopy Using Segmented Current Collectors

Kurzfassung

Beim Übergang vom Labormaßstab hin zu großformatigen Zellen in der technischen Anwendung stellen lokale Unterschiede in der Belastung der Materialien eine besondere Herausforderung für Langlebigkeit und Sicherheit dar. Diese Effekte treten im Betrieb als Temperaturgradienten und Stromdichteunterschiede innerhalb der Zelle und entlang den Elektrodenflächen in Erscheinung. Über den Lebenszyklus der Zelle hinweg werden diese lokalen Unterschiede aufgrund der fortschreitenden Alterung der Zelle weiter verstärkt, was im schlimmsten Fall die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen kann. Während Modellierung und Simulation einen Einblick in lokale Zustände erlauben, sind diese Effekte experimentell nur schwer und mit erheblichem Aufwand zugänglich, insbesondere, wenn das Verhalten der Zelle durch die Einbringung der Messtechnik nicht substantiell verändert werden soll. Ein Ansatz, welchen das DLR verfolgt ist die Verwendung der sog. segmentierten Zelle. Hierfür wurde ein segmentierter Stromabnehmer und die dazugehörige Messtechnik entwickelt, die es erlaubt Segmente auf der Elektrode einzeln zu kontaktieren und den Strom der jeweiligen Segmente aus der Zelle herauszuführen. Dadurch lässt sich die Stromdichteverteilung aufnehmen, um Informationen über das Ausmaß von Inhomogenitäten im Betrieb zu erhalten. Darüber hinaus kann mittels ortsaufgelöster Impedanzspektroskopie untersucht werden, wie diese die lokale Alterung über den Lebenszyklus beeinflussen und, wie dieser über die Wahl der Betriebsbedingungen und Zelldesign effektiv entgegengewirkt werden kann.