Modeling the Impact of Structural Deviations in Lithium-Ion Batteries
Creators: name: Schmidt, Oke Matthias
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: lithium-ion battery
lithium-ion battery modeling
uncertaintiy quantification
structural deviations
robust optimization
electrode microstructure
carbon binder domain
electrical network
sudden death
robust degradation

description: Die Lithium-Ionen-Batterie wird heutzutage in der mobilen Kommunikation, der stationären Energiespeicherung sowie der Elektromobilität eingesetzt. Die stark steigende Nachfrage führt zu einem hohen Interesse an der Herstellung und deren Auswirkung auf die Leistungsmerkmale. Es ist notwendig, Produktionsanlagen zu schaffen, die die Nachfrage nach hochwertigen Batterien bedienen können. Dafür ist es erforderlich zu untersuchen, wie sich Abweichungen in den Produkteigenschaften, z. B. von strukturellen Merkmalen, auf die Qualität auswirken. Dies trägt langfristig dazu bei, die Ausschussrate zu reduzieren und damit die Quali\-tät und Nachhaltigkeit zu verbessern. Im Rahmen der Dissertation wird untersucht, wie sich Unsicherheiten, die in der Produktion entstehen, auf die Elektrodenstruktur und die elektrochemischen Eigenschaften auswirken. Mit Hilfe von mathematischer Modellierung wird analysiert, wie sich verschiedene Arten von Schwankungen über die verketteten Herstellungsprozesse fortpflanzen, entwickeln und die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie beeinflussen. Ziel ist es, sensitive Prozesse und Strukturparameter zu identifizieren. Darüber hinaus werden robuste Elektrodenstrukturen identifiziert, die aufgrund ihrer spezifischen Struktur zu geringeren Abweichungen führen. Im ersten Teil wird untersucht, wie sich Schwankungen in den Produktionsprozessen auf die Leistungsmerkmale von Lithium-Ionen-Batterien auswirken. Um dies zu analysieren, wird eine modellbasierte Beschreibung der Fertigungsprozesse mit einem elektrochemischen Batteriemodell gekoppelt. Das erlaubt die kontinuierliche Beschreibung von Abhängigkeiten zwischen Produktionsprozessen, Elektrodenstruktur und elektrochemischen Eigenschaften. Die dadurch entwickelte Plattform wird in einer Fallstudie angewendet, um zu untersuchen, wie sich Schwankungen in der Elektrodenproduktion ausbreiten und die Leistung beeinflussen. Für die analysierten Szenarien zeigt sich, dass der Beschichtungsprozess den höchsten Einfluss auf die Leistungseigenschaften hat. In diesem Prozess wird die Beladung der Elektroden mit Aktivmaterial eingestellt und damit auch die Leistung der Elektrode beeinflusst. Die Plattform ermöglicht ebenso die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Produktionsschritten. So kommt es zwischen dem Beschichten und Kalandrieren zu relevanten Wechselwirkungen, da in beiden Prozessen die gleichen Strukturparameter verändert werden. Im Anschluss an die Fallstudie wird untersucht, wie die Elektrodenstruktur angepasst werden muss, damit die Leistungseigenschaften von Kathoden robust gegen Schwankungen in der Struktur reagieren. Es zeigt sich, dass Elektroden mit hoher Schichtdicke und geringer Porosität in Betriebspunkten, in denen der Massentransport im Elektrolyten der begrenzende Faktor ist, zu hohen Leistungsabweichungen neigen. Durch den Einsatz von robuster Optimierung wird die volumetrische Energiedichte leicht verringert, ohne dass es zu einem limitierenden Massentransport im Elektrolyten kommt. Dadurch wird ein deutliches Absinken der Leistung bei Schwankungen in der Struktur verhindert. Infolgedessen sinkt die Standardabweichung und die Ausschussrate in der Herstellung kann deutlich reduziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Mikrostruktur der Elektrode untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Struktur der Leitruß-Binder-Matrix. Trotz gleicher Volumenanteile kann allein eine veränderte Netzwerkstruktur der Matrix zu deutlichen Unterschieden in der Leistung und der Alterung führen. Es werden unterschiedliche elektrische Netzwerkstrukturen untersucht und robuste und bevorzugte Strukturen identifiziert, um geringere Schwankungen der volumetrischen Energiedichte und Degradation zu erzielen. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der Dissertation dazu bei, ein wissensbasiertes Verständnis darüber aufzubauen, wie sich Unsicherheiten im Bereich der Produktion und der Elektrodenstruktur auf die elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien auswirken. Es werden Modelle entwickelt, welche eine Beschreibung der notwendigen Zusammenhänge ermöglichen. Basierend auf den Modellen werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, die es erlauben, Schwankungen zu verringern und die Produktqualität der Batterien zu verbessern. Weiterhin wird die robuste Optimierung eingesetzt, um gezielt den Ausschuss im Bereich der Produktion zu verringern. Dadurch wird die Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien verbessert, da es zu weniger Materialverbrauch im Bereich der Produktion kommt.