Entwicklung eines Verfahrens zur Charakterisierung kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien im Zeitbereich

Abstract

In dieser Arbeit werden zwei Methoden zur Bestimmung der Niederfrequenz-Impedanz aus Zeitbereichsmessdaten als Erweiterung zur Charakterisierung kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien mittels Impedanzspektroskopie entwickelt. Für das Pulse-Fitting-Verfahren nach Schmidt et al. [1] werden zunächst geeignete Mess- und Auswerteparameter bestimmt. Des Weiteren wird die L-Curve-Methode zur graphischen Bestimmung eines optimierten Regularisierungsparameters λ eingeführt. Damit künftig eine Zuordnung der Verlustprozesse zu den einzelnen BatterieKomponenten möglich ist, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Algorithmus zur Selbstentladungskompensation eingeführt und das Anwendungsgebiet des PulseFitting-Verfahrens auf Experimentalzellen ausgeweitet. Zur Validierung der ermittelten Niederfrequenz-Impedanz wird die Fourier-Transformations-Methode implementiert. Beide Zeitbereichsverfahren weisen für die sich überlappenden Frequenzen zwischen 1 · 10−1 Hz und 1 · 10−3 Hz für kommerzielle Hochleistungs- und Hochenergiezellen eine hohe Übereinstimmung zueinander sowie zu den Messungen der Impedanzspektroskopie auf. Für die Frequenz von 1 mHz wird zwischen den Zeitbereichsverfahren eine Abweichung von 0,4 % bis 0,6 % bezogen auf den Imaginärteil der Pulse-Fitting-Impedanz gemessen. Bis zu einer Frequenz von 1 · 10−5 Hz bewegen sich die Kramers-Kronig-Residuen für beide Verfahren in einem Bereich von < 1%. Somit kann der Analyseraum verglichen mit den Spektren der Impedanzspektroskopie um zwei Dekaden hin zu niedrigeren Frequenzen erweitert werden. Des Weiteren kann durch die neuen Methoden eine signifikante Verkürzung der Messzeit erreicht werden. Um mit der Standard-Methodebei gleichbleibenden Messparametern ebenfalls bis zu einer Frequenz von 1 · 10−5 Hz auswerten zu können, wäre theoretisch eine zusätzliche Messzeit von 63 Tagen erforderlich. Perspektivisch ist für beide Verfahren ein Einsatz als BetriebssignalauswertungsWerkzeug in STIHL-Anwendungen denkbar.