Johannes Wandt, TU München, Bild: TU München
„Gegenwertig verbessern wir das Design der Zelle, damit sich der Einfluss höherer Lade- und Entladeströme in konventionellen Graphit-Anoden untersuchen lässt.“ Johannes Wandt, TU München

An diesen Bruchstellen lagert sich weiteres Lithium ab, wodurch die Voraussetzungen für die Bildung der schwammartigen Strukturen gegeben sind. Die Brücken von der Anodenoberfläche zu diesen Gebilden und die feinen Verzweigungen darin sind sehr dünn. Im Extremfall lösen sich einige Brücken beim Entladen auf, wodurch sich Teile der schwammigen Strukturen von der Oberfläche ablösen und totes Lithium entsteht. Dadurch steigt die Gefahr eines Kurzschlusses, und die Zellkapazität sinkt.

Der FEC-Zusatz hingegen polymerisiert und bildet eine elastische und durchlässige Grenzschicht, wodurch sich Lithium zunächst noch gleichmäßig ablagern kann. Sobald auch hier die ersten schwammartigen Strukturen entstanden sind, lagert es sich bevorzugt an diesen ab. Bei Anwesenheit des Additivs lösen sich diese Niederschläge jedoch teilweise wieder auf.

„Gegenwärtig verbessern wir das Design der Zelle, damit sich auch der Einfluss höherer Lade- und Entladeströme sowie die Li-Einlagerung in konventionellen Graphit-Anoden untersuchen lässt“, unterstreicht Wandt.

Das bleibt hängen

Viele Einflussfaktoren

In der stationären und mobilen Energieversorgung setzt man auf Lithium-Ionenbatterien. Die gesteuerte Ladung und Entladung der Zellen haben einen enormen Einfluss auf Lebensdauer, Kapazität und Betriebssicherheit. Zu hohe Stromflüsse führen zu gefährlichen inneren Temperaturen und Oxidationsprozessen; Überladungen zu Zellenbränden.

Um bei der Konstruktion neuer Zellen Kosten einzusparen und die Entwicklung zu beschleunigen, werden Lade- und Entladeverhalten von Batteriezellen mit mathematischen Modellen simuliert. In Batterie-Management-Systemen überwachen solche Modelle die Ladezustände der Zellen. Modelle, die neben einem konstruktiven Aufbau der Zelle verschiedene Faktoren berücksichtigen, eignen sich am besten für die Entwicklung neuer Zellen. Faktoren sind unter anderem die Schichtdicke und Porosität der Elek-troden, die Beschaffenheit des Elek-trolyten oder temperaturabhängige Veränderungen des Elektrovolumens.

Der große Vorteil der Simulation mit mathematischen Modellen ist die Flexibilität des Systems: Tauscht man einige Parameter aus, wird beispielsweise aus der Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle eine Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid-Zelle. Alterungszustände der Batterien können des weiteren im Modell ISET-Lib für Li-Ionenzellen am Fraunhofer IWES dargestellt werden.

Li-Anoden könnten theoretisch die Energiedichte von Li-Ionenzellen um 50 Prozent steigern. Allerdings bilden sich während der Lade-/Entladezyklen störende Ablagerungen.

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