Zusammenfassung der Forschung

Motivation

Durch die Weiterentwicklung von elektrischen Speichern nähert sich die heutige Gesellschaft immer mehr dem Ziel von leistungsfähigen, nachhaltigen mobilen Energieträgern. Im Zuge der Entwicklung bis dato haben sich vor allem Lithium-Ionen Batterien (LIB) als wertvoll erwiesen. Da jedoch die Anforderungen bzgl. Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer immer weiter steigen, ist das tiefe Verständnis der Degradationsmechanismen von essenzieller Bedeutung, da diese zu einer Beschädigung bis hin zur Zerstörung der LIB (z.B. durch einen Thermal Runaway) beitragen können.

Eine wichtige Rolle kommt dabei der Degradation der Solid Electrolyte Interphase (SEI) in der Batterie zu, welche v.a. bei höheren Temperaturen stattfindet. Generell nimmt die SEI beim Batteriebetrieb mehrere essenzielle Funktionen ein wie z. B. den Schutz der negativen Elektrode vor dem Kontakt mit dem Elektrolyten. Der Grund hierbei liegt in der hohen Reaktivität zwischen der Elektrode und dem organischen Elektrolyten, welche nicht nur die Performance, sondern auch die Sicherheit der Batterie beeinflusst. Damit ein sicherer Batteriebetrieb gewährleistet werden kann, ist die Erhaltung einer wenig porösen und (temperatur-)stabilen SEI unabdingbar.

In dem Forschungsthema mit dem Titel „Thermisch induzierte Alterung in Anoden von Lithium(-Ionen) Batterien: Modellierung und Validierung“ soll genau diese Problematik betrachtet und wichtige, sicherheitsrelevante Ergebnisse aufgezeigt werden. Dabei werden in der Arbeit simulative Ergebnisse dazu verwendet, um theoretische Vorhersagen über die SEI Degradation zu treffen. Diese werden auch mittels Experimenten validiert. Mit solch einer Verbindung zwischen Theorie und Experiment sollen die gefundenen Ergebnisse auch noch erklären, welche dahinterstehende, chemische und physikalische, Mechanismen eine Hauptrolle einnehmen. Dies macht eine praxisnahe Anwendung des Modells möglich, da somit konkrete Ursache-Wirkungs-Ketten aufgezeigt werden. 

Ziele und Methoden

Ziel des Forschungsthemas ist es, ein physikochemisches Modell einer durch hohe Temperatur degradierenden SEI an der Anode zu entwickeln und experimentell zu validieren. Modelliert wird der Effekt, dass die hohe Temperatur temperaturabhängige Zersetzungs- und Neubildungsreaktionen an der SEI auslöst, die zu verändertem Leistungsverhalten, Kapazitätsverlusten und Gasbildung, und damit Druckanstieg führen. (a) Aus der Literatur bekannte Reaktionen an der SEI sowie die Edukte und Produkte in der SEI und im Elektrolyt (>10 Spezies inkl. HF, CO2 u. a.) werden in ein konzentriertes Modell implementiert, ebenso wie Gas-Flüssig-Phasengleichgewichte im Elektrolyten. Die Evolution von SEI und Elektrolyt wird zeitabhängig analysiert. (b) OEMS-Messungen zu Elektrolytzusammensetzung und Druck über die Zeit werden für Parametrierung/Validierung durchgeführt. (c) Das Modell wird in ein Zell-Modell mit SEI integriert und Betriebseinflüsse sowie Wechselwirkungen studiert.