Einfluss der Temperatur auf die Schnellladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien

Abstract

Für die Entwicklung der Mobilität hin zu klima- und umweltfreundlicheren Verkehrsmitteln ist die Elektromobilität ein wichtiger Bestandteil. Ein entscheidender Aspekt für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen als alternative zu konventionellen Antrieben ist die Ladedauer. Als Ziel wird angestrebt, die Batterie innerhalb von 10 min auf einen State-of-Charge von 80 % zu bringen. Um die Ladedauer zu verkürzen, werden hohe Ladeströme benötigt. Bei höheren Ladeströmen nehmen die kinetischen Verluste durch Aktivierungsüberspannung, Konzentrationsüberspannung und ohmschen Überspannung zu und die Batterie altert schneller. Auch die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten. Der optimale Temperaturbereich, in der eine Lithium-Ionen-Batterie betrieben werden sollte, liegt zwischen 20 - 40 °C. In diesem Bereich ist die Leistungsfähigkeit hoch und die Alterungsprozesse sind gering. Bei zu niedrigen Temperaturen steigt die Gefahr des Lithium-Platings. Zu hohe Temperaturen führen hingegen zu einem verstärkten SEI-Wachstum (engl: solid electrolyte interphase). Durch diese Vorgänge sinkt die Leistungsfähigkeit. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Temperatur auf die Schnellladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Hierfür wird der Diffusionskoeffizient, sowie der Ladungstransferwiderstand sowohl für eine Hochenergie- wie auch für eine Hochleistungszelle experimentell mittels GITT (galvanostatische intermittierende Titrationstechnik) und EIS (elektrochemische Impedanzspektroskopie) Messungen ermittelt. Die Messungen werden bei 10 °C, 25 °C und 40 °C durchgeführt. Die so erhaltenen Parameter werden in ein elektrochemisch-thermisches Batteriemodell eingearbeitet. Das vorhandene Modell wird so angepasst, dass Simulationen in Abhängigkeit der Temperatur durchgeführt werden können. Mit dem so erhaltenen Modell soll die Schnellladefähigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht werden.