Post on 31-Aug-2019
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Batteriealterung • Batteriemodelle • Batteriediagnostik • Batteriepackdesign • Elektromobilität • Stationäre Energiespeicher • Energiesystemanalyse
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung
und Speichersystemtechnik 1
Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen Batterien
Elektrotechnisches Kolloquium an der
TU Paderborn
Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer
09.04.2019
[lo
gitech.c
om
]
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Leistungsfähige Batteriespeicher werden immer wichtiger …und damit ein gutes Verständnis ihrer Alterungsmechanismen
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 2
Batteriekosten
Lebensdauerziel
~25 € > 25.000 €
2 Jahre 10 Jahre
[tesla
.com
]
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Leistungsfähige Batteriespeicher werden immer wichtiger …und damit ein gutes Verständnis ihrer Alterungsmechanismen
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 3
Ohne Kenntnis der Alterungsvorgänge, können folgende Fragen nicht beantwortet werden:
Garantie? Leasingraten? Betriebsgrenzen? Sicherheitsgrenzen?
Ausfallwahrscheinlichkeiten? Betriebsstrategie? Max. Ladeströme?
[Der-
Postillo
n.d
e]
[zeit.d
e]
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Alterungsbestimmung im Feld 6
Zyklische Alterung 5
Kalendarische Alterung 4
Alterung von Batteriespeichern 3
Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien 2
Motivation 1
Gliederung
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 4
Zusammenfassung 7
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Lithium-Ionen Batterien Große Zahl von Materialkombinationen – ein Funktionsprinzip
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 5
Materialien:
Graphit
Graphit & Silizium
Li4Ti5O12
Materialien:
LiCoO2
LiMn2O4
LiFePO4
Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2
Li(NixMnyCo1-x-y)O2
....
Positive Elektrode Negative Elektrode
Separator
Laden
Entladen
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Mikroskopischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 6
M. Ender. „Mikrostrukturelle Charakterisierung, Modellentwicklung und Simulation poröser Elektroden für Lithiumionenzellen“. Dissertation. KIT, 2014
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Modell: Abgebildete Reaktionen
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 7
Entladung
M. Ender. „Mikrostrukturelle Charakterisierung, Modellentwicklung und Simulation poröser Elektroden für Lithiumionenzellen“. Dissertation. KIT, 2014
voll geladen
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Alterungsbestimmung im Feld 6
Zyklische Alterung 5
Kalendarische Alterung 4
Alterung von Batteriespeichern 3
Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien 2
Motivation 1
Gliederung
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 8
Zusammenfassung 7
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 9
Alterung
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 10
Alterung
Hugh Laurie
~90er Jahre
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 11
Alterung
Hugh Laurie
~90er Jahre
Hugh Laurie
~2015
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 12
Mehr Bart Alterung
Hugh Laurie
~90er Jahre
Hugh Laurie
~2015
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 13
Mehr Bart Alterung
Schickeres Outfit
Hugh Laurie
~90er Jahre
Hugh Laurie
~2015
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 14
Alterung
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 15
Alterung
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 16
Reduzierung der Kapazität Alterung
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 17
Reduzierung der Kapazität Alterung
Erhöhung des Innenwiderstands
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Was bedeutet eigentlich „Alterung“?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 18
Reduzierung der Kapazität Alterung
Erhöhung des Innenwiderstands
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Externe Alterung vs. interne Alterung
Externe Alterungsfaktoren
„Welche Faktoren beeinflussen die Alterung?“
Stichworte:
■ Ladestrom
■ Spannungslage
■ Entladungstiefe
■ Temperatur
■ …
Interne Alterungsfaktoren
„Was passiert in der Batterie?“
Keywords:
■ Lithium Plating
■ Solid Electrolyte Interface (SEI)
■ Korrosionseffekte
■ Zersetzung des Elektrolyten
■ …
19 09.04.2019 Kai-Philipp Kairies
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
■ Kalendarische Alterung
□ Beschränkt die Lebensdauer einer Batterie ohne Belastung.
□ Unter anderem abhängig von der Lagerdauer.
■ Zyklische Alterung
□ Zusätzliche Alterung durch elektrische Nutzung der Batterie.
□ Wird stets durch kalendarische Alterung überlagert.
□ Unter anderem abhängig vom Energiedurchsatz.
■ Die Superposition von kalendarischer und zyklischer Alterung
ist nicht trivial und eine andauernde Forschungsthematik.
Externe Alterungsfaktoren
09.04.2019 20 Kai-Philipp Kairies
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Alterungsbestimmung im Feld 6
Zyklische Alterung 5
Kalendarische Alterung 4
Alterung von Batteriespeichern 3
Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien 2
Motivation 1
Gliederung
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 21
Zusammenfassung 7
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Kalendarische Alterung Bedeutung des Ladezustands
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 22
Lagerzeit in Tagen
Re
lati
ve
Ka
pa
zit
ät
in %
0 200 400 600 800 1000
102
100
98
96
94
92
90
88
86
Kalendarische Alterung bei 35 °C
100%
80%
65%
50%
35%
20%
SOC:
[eig
batt
ery
.com
]
□ Pouch-Zelle: 20 Ah
□ Energiedichte: 174 Wh/kg
□ Kathode: NMC (4:4:2)
□ Anode: Graphit
SOC: State of Charge
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Kalendarische Alterung Bedeutung des Ladezustands
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 23
0 100 200 300 400 500 600 7001.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
2
2.05
2.1
Testdauer [Tage]
Kapazität [A
h]
0 100 200 300 400 500 600 7000.04
0.045
0.05
0.055
0.06
0.065
0.07
0.075
0.08
Testdauer [Tage]
Wid
ers
tand [
]
SOC = 0 %, T = 50 °C
SOC = 10 %, T = 50 °C
SOC = 30 %, T = 50 °C
SOC = 50 %, T = 50 °C
SOC = 70 %, T = 50 °C
SOC = 80 %, T = 50 °C
SOC = 85 %, T = 50 °C
SOC = 90 %, T = 50 °C
SOC = 95 %, T = 50 °C
SOC = 100 %, T = 50 °C
SOC = 50 %, T = 40 °C
SOC = 50 %, T = 35 °C
SOC = 100 %, T = 50 °C
SOC = 100 %, T = 40 °C
SOC = 60 %, T = 50 °C
SOC = 20 %, T = 50 °C
Kap
azität
[Ah]
Testdauer [Tage]
Testtemperatur 50 °C
Wie lange braucht es, bis eine Batteriezelle
15% ihrer Kapazität verliert?
(in Abhängigkeit ihres Ladezustands)
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
0 20 40 60 80 1000
200
400
600
800
1000
1200
SOC [%]
Tage im
Test
Kalendarische Alterung Bedeutung des Ladezustands
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 24
1,8 Ah Restkapazität
0 100 200 300 400 500 600 7001.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
2
2.05
2.1
Testdauer [Tage]
Kapazität [A
h]
0 100 200 300 400 500 600 7000.04
0.045
0.05
0.055
0.06
0.065
0.07
0.075
0.08
Testdauer [Tage]
Wid
ers
tand [
]
SOC = 0 %, T = 50 °C
SOC = 10 %, T = 50 °C
SOC = 30 %, T = 50 °C
SOC = 50 %, T = 50 °C
SOC = 70 %, T = 50 °C
SOC = 80 %, T = 50 °C
SOC = 85 %, T = 50 °C
SOC = 90 %, T = 50 °C
SOC = 95 %, T = 50 °C
SOC = 100 %, T = 50 °C
SOC = 50 %, T = 40 °C
SOC = 50 %, T = 35 °C
SOC = 100 %, T = 50 °C
SOC = 100 %, T = 40 °C
SOC = 60 %, T = 50 °C
SOC = 20 %, T = 50 °C
Kap
azität
[Ah]
Testdauer [Tage] Ladezustand [%]
Testd
auer
[Tage]
Testtemperatur 50 °C Testtemperatur 50 °C
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
■ Eine Erhöhung der
Temperatur um 10 K
verdoppelt die Alterungs-
geschwindigkeit von
elektrochemischen
Komponenten
■ Nenntemperatur
typischerweise 20…25°C,
Lebensdauergarantien
gelten nur in engem
Temperaturbereich
Kalendarische Alterung Bedeutung der Temperatur
25
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 100 200 300 400 500
Ca
ct/C
BO
T
t/days
50% SOC CV 25°C
50% SOC CV 40°C
50% SOC CV 50°C
50% SOC CV 60°C
[a][a]
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Kalendarische Alterung Im Alltag
Praxisfrage
Wie sollten wir unsere Smartphones laden?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 26
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Alterungsbestimmung im Feld 6
Zyklische Alterung 5
Kalendarische Alterung 4
Alterung von Batteriespeichern 3
Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien 2
Motivation 1
Gliederung
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 27
Zusammenfassung 7
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 28
100% SOC 100% SOC 0% SOC
DOD = 100%
[1 äquivalente Vollzyklen]
SOC: State of Charge
DOD: Depth of Discharge
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 29
100% SOC 100% SOC 50% SOC
DOD = 50%
[0,5 äquivalente Vollzyklen]
SOC: State of Charge
DOD: Depth of Discharge
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 30
100% SOC 100% SOC 50% SOC
DOD = 20%
[0,2 äquivalente Vollzyklen]
SOC: State of Charge
DOD: Depth of Discharge
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 31
60% SOC 60% SOC 40% SOC
DOD = 20%
[0,2 äquivalente Vollzyklen]
SOC: State of Charge
DOD: Depth of Discharge
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zyklische Alterung Bedeutung der Zyklentiefe
0 200 400 600 800 1000 12000.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
Testdauer [Tage]
Kapazität [A
h]
SOC = 50 %, T = 35 °C
SOC = 100 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C
SOC = 50 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C
SOC = 20 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C
SOC = 10 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C
SOC = 5 %, ØSOC = 50 % Lad/Ela = 1C/1C
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 32
Testdauer [Tage] (proportional zu äquivalenten Vollzyklen)
Kapazität
[Ah]
Keine Zyklierung
(als Referenz)
5% DOD
100% DOD
SOC: State of Charge
DOD: Depth of Discharge
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zyklische Alterung Bedeutung des genutzten SOC-Fensters
■ Der Bereich der Zyklierung hat
einen hohen Einfluss auf die
Batteriealterung (unter anderem
wegen Phasenübergängen in
der Batterie)
■ Dieser Effekt kann (aber muss
nicht) gegensätzlich zur
kalendarischen Alterung sein
33 09.04.2019 Kai-Philipp Kairies
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Kalendarische Alterung Im Alltag
Praxisfrage
Wie stellen wir eine Lebensdauer von 10 Jahren sicher?
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 34
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Gleiche Zellen unter gleichen Betriebsbedingungen altern unterschiedlich
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 35
80% CN
□ Sanyo/Panasonic UR18650E
□ 1,85 Ah Nominelle Kapazität
□ Graphit / NMC
□ Zyklisierung zw. 3,9 V und 3,5 V
□ Stromstärke 4,1 A (~2 C)
□ 48 Zellen in gleicher Weise betrieben
Über 25% Streuung
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Alterungsbestimmung im Feld 6
Zyklische Alterung 5
Kalendarische Alterung 4
Alterung von Batteriespeichern 3
Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien 2
Motivation 1
Gliederung
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 36
Zusammenfassung 7
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 37
Heimspeicher
Die Energiewende zuhause
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Heimspeicher: Die Energiewende zuhause
■ Batteriespeicher verschieben Solarstrom vom
Tag in die Nacht
■ Mehr Eigenverbrauch = Weniger Strombezug
■ Welche Bedeutung hat die Thematik
Batteriealterung für Heimspeicher?
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 38
[1]
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Kapazitätsverluste von privat betriebenen Heimspeichern
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 39
Garantiefälle?
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Manuelle Kapazitätstests im Feld Messaufbau
■ Das derzeit übliche Verfahren zur Prüfung der Kapazität von Heimspeichern ist ein manueller
Kapazitätstest vor Ort
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 40
Entladung mit
maximaler Leistung
Abgeschaltete
PV-Anlage
SoC
= 1
00
%
„Normale“ Hauslast
(Spül- und Waschmaschine,
Kühlschrank, TV, etc.)
Zusätzliche Lasten
(Elektroauto, Heizlüfter, etc.)
Differenzleistung
zur Deckung aller
Lasten wird aus dem Netz
bezogen
Summe aller Lasten ist
größer als
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Manuelle Kapazitätstests im Feld Lade- und Entladevorgang
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 41
Ladung Entladung
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Virtuelle Kapazitätstests Grundkonzept
■ Können wir anhand der Logfiles von Heimspeichersystemen virtuelle Kapazitätstests durchführen,
die eine stabile Aussage zur nutzbaren Kapazität der Batterie treffen?
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 42
Ja!
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Virtuelle Kapazitätstests Grundkonzept
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies 43
ISEA Analysetools
Data Cleansing
Batteriemodelle
Pattern Matching
…
Logfiles CBat(t)
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Virtuelle Kapazitätstests In der Anwendung
■ Gründung eines Startups zum in-die-Praxis-bringen der Methodik
□ Zusammenarbeit mit mehrere großen Herstellern im
Heimspeicherbereich
□ Erweiterung der Algorithmen auf andere Anwendungsfelder
■ Ab Oktober: Möglichkeit von (bezahlten) Praktika im Bereich
□ Batteriespeicher
□ Künstliche Intelligenz
□ Wirtschaftsingenieurwesen
■ Fragen gerne formlos an:
kka@isea.rwth-aachen.de
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 44
Der Aachener Dom
Generisches Bild zu Start-Ups ;-)
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Alterungsbestimmung im Feld 6
Zyklische Alterung 5
Kalendarische Alterung 4
Alterung von Batteriespeichern 3
Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien 2
Motivation 1
Gliederung
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 45
Zusammenfassung 7
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Zusammenfassung
■ Die Bedeutung von leistungsfähigen Batteriespeichern nimmt in allen Lebensbereichen stetig zu
□ Elektromobilität (zu Wasser, zu Land und in der Luft)
□ Energiewirtschaft
□ Power Tools (Akkuschrauber, Bohrmaschinen, Hochdruckreiniger, …)
□ Verbraucherelektronik (Smartphones, Laptops, Tablets, …)
■ Im Betrieb altern Batteriespeicher kontinuierlich
■ Durch geschicktes Design und intelligente Steuerung kann die Lebensdauer von Batterien deutlich
verlängert werden
□ Bei allen Anwendungen sollte das Batteriedesign von vorneherein mitgedacht werden
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 46
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
■ Der Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und
Speichersystemtechnik ist Europas größte öffentliche
Forschungseinrichtung für Batteriespeichersysteme.
□ 60+ Wissenschaftler
□ 40+ Masterstudenten
□ 40+ Bachelorstudenten
□ 1.000+ Batterietestkreise bis zu 240 kW
■ Drei Forschungsgruppen decken die gesamte Wertschöpfungskette von
modernen Speichern ab:
□ Modellierung und Lebensdaueranalyse
□ Batteriesystemtechnik und Fahrzeugintegration
□ Netzintegration und Speichersystemanalyse
■ Der Lehrstuhl bildet durch 6 Vorlesungen und Seminare zum Thema
Batteriespeichersysteme an der RWTH Aachen die nächste Generation
Batteriespezialisten aus.
13.04.2019 Kai-Philipp Kairies
Vorbereitung einer Li-Ionen Zelle
Batterietestsysteme am ISEA
47
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Kontakt
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung
und Speichersystemtechnik
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Kai-Philipp Kairies
RWTH Aachen University
Jägerstraße 17/19
52066 Aachen
GERMANY
www.isea.rwth-aachen.de
Wir danken
Tel.: +49 241 80-49367
kka@isea.rwth-aachen.de
Kai-Philipp Kairies
48
Dr. Alexander Warnecke
Dr. Madeleine Ecker
Dr. Stefan Käbitz
Dr. Thorsten Baumhöfer
Dr. Johannes Schmalstieg
Christiane Rahe
Prof. Egbert Figgemeier
MEET Hi-EnD: 03X4634B
Batteriealterung • Batteriemodelle • Batteriediagnostik • Batteriepackdesign • Elektromobilität • Stationäre Energiespeicher • Energiesystemanalyse
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung
und Speichersystemtechnik 49
Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen Batterien
Elektrotechnisches Kolloquium an der
TU Paderborn
Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer
09.04.2019
[lo
gitech.c
om
]
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung
und Speichersystemtechnik 50
Backup
Alterung bei Schnellladung von Elektrofahrzeugen: Lithium Plating
Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer
09.04.2019
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Winter- und Schnellladeproblematik der Elektromobilität – Wie schnell kann die Batterie aufgeladen werden?
Folie 51
09.04.2019 51 Kai-Philipp Kairies
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
09.04.2019 52
Was ist Lithium-Plating?
■Sicherheitsrisiko
■Alterung
Kai-Philipp Kairies
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
09.04.2019 53
Was ist Lithium-Plating?
■ Lasermikroskopaufnahme
einer geplateten Anode
Kai-Philipp Kairies
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
0 0.5 1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Beladungsgrad
OC
V [
V]
09.04.2019 54
■ Gesteuert durch lokales Anodenpotential < 0 V
Wann entsteht Lithium-Plating?
moderate Temperatur
tiefe Temperatur
■ Einflussfaktoren:
Anodenüberschuss
Diffusion
Ladungstransfer
SEI
Jede Zelle verhält sich anders!
Kai-Philipp Kairies
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
09.04.2019 55
■ Tiefere Temperatur führt zu stärkerer Alterung
■ Zelle ist für 0 °C Laden spezifiziert
Temperaturabhängigkeit – Kokam 40 Ah Hochleistungszelle
0 20 40 60 80
0.7
0.8
0.9
1
äquivalente Vollzyklen
C/C
init
1 C, CV Phase von 45 min
-10°C
0°C
10°C
0 20 40 60 800.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
äquivalente Vollzyklen
R/R
init
-10°C
0°C
10°C
Kai-Philipp Kairies
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
09.04.2019 56
■ Höhere Ströme führen trotz Temperaturerhöhung zu stärkerer Alterung
Einfluss von Stromstärke – Kokam 40 Ah Hochleistungszelle
0 20 40 60 800.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
äquivalente Vollzyklen
C/C
init
-10°C, CV Phase von 45 min
1C
0.25C
0.1C
0 20 40 60 80
1
1.5
2
2.5
äquivalente Vollzyklen
R/R
init
1C
0.25C
0.1C
Kai-Philipp Kairies
|
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
09.04.2019 58
■ Zellen altern sehr unterschiedlich unabhängig von Hersteller
Vergleich verschiedener Zelltechnologien von verschiedenen Herstellern
0 50 100 150 2000.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
-10°C, 1C, CC
äquivalente Vollzyklen
C/C
init
0 50 100 150 200
1
1.2
1.4
1.6
1.8
äquivalente Vollzyklen
R/R
init
H1 22 Ah
H1 66 Ah
H2 7.5 Ah
H2 40 Ah
H2 40 Ah
H2 53 Ah
H3 110 Ah
H4 40 Ah
Kai-Philipp Kairies
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Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Maximale Ladestromrate muss eingeregelt werden
09.04.2019 Kai-Philipp Kairies 61
Temperatur
Ladestr
om
Funktion ist nicht-linear
und abhängig von
• Batterietyp
• Alterungsfortschritt
• Ladezustand