Numerische Untersuchungen zum Einfluss der Aktivmaterialpartikelmorphologie auf die stofflichen Transportvorgänge in Lithium-Ionen Batterien
Creators: name: Cernak, Susanne
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Lithium-Ionen Batterie
Ortsaufgelöste Simulation
Numerische Untersuchungen
Aktivmaterialpartikelmorphologie
Partikelrauigkeit
Partikelporosität
Stoffliche Transportvorgänge
Leistungsfähigkeit

description: Die leistungsbestimmenden Ladungs- und Stofftransportprozesse in Lithium-Ionen Batterien sind auf der partikulären und subpartikulären Ebene im Mikro- und Nanometerbereich lokalisiert. Diese Prozesse sind experimentell schwer zugänglich, weswegen für die Untersuchung morphologischer Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit von positiven Lithium-Ionen Batteriehalbzellen in dieser Arbeit ein dreidimensional ortsaufgelöstes, elektrochemisches Modell Anwendung findet. Ein Modellvergleich mit einem homogenisierten Newman-Modell dient der Verifikation des verwendeten ortsaufgelösten elektrochemischen Modells, was die Anwendbarkeit des Modells auf weiterführende Fragestellungen erlaubt. Die Analyse der Simulationsergebnisse nicht-sphärischer Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMO) Partikel mit unterschiedlicher Form und Größe zeigt, dass der Einfluss der Partikelstruktur auf die nutzbare Kapazität mit steigender Entladerate zunimmt. Dabei wirken sich kurze Diffusionslängen im Feststoff, wie etwa bei Ellipsoiden, positiv auf eine homogene Lithiierung der Partikel aus. Hingegen erweisen sich spitzwinklige Ecken und Kanten von Partikeln als negativ in Bezug auf das Erreichen hoher nutzbarer Kapazitäten. Bei identischem Partikelaufbau, zeigt sich, dass die nutzbare Kapazität der Partikel mit größeren äußeren Abmessungen sinkt. Darüber hinaus lässt sich ein positiver Zusammenhang zwischen der volumenspezifischen Oberfläche und der nutzbaren Kapazität eines Partikels feststellen. Die Ergebnisse der Untersuchung rauer Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) Partikel zeigen, dass für geringe Entladeraten &lt;1C die Annahme von glatten und kugelförmigen Aktivmaterialpartikeln in Simulationsmodellen gerechtfertigt ist. Bei höheren C-Raten steigt der Einfluss der Partikelstruktur. Folglich ist in diesen Fällen die Partikelrauigkeit zu berücksichtigen, da dies andernfalls zu einer Unterschätzung der nutzbaren Kapazität führen kann. Für Hochleistungsanwendungen erweisen sich Partikel mit geringer äußerer Abmessung und großer Rauheitstiefe als besonders geeignet. Ferner zeigt sich bei hohen Entladeraten eine Korrelation zwischen der kleinsten absoluten Diffusionslänge und der nutzbaren Kapazität eines Partikels. Im Vergleich zu nicht-porösen NMC-Partikeln weisen poröse Aktivmaterialpartikel geringere Transportlimitierungen auf. Dies zeigt sich in niedrigeren lokalen Überpotentialen und einer homogeneren Lithium-Konzentrationsverteilung im Feststoff, was zu höheren nutzbaren Kapazitäten führt. Für den Einsatz in Hochenergieanwendungen mit geringen Entladeraten ≪1C zeigen sich nicht-poröse Aktivmaterialpartikel als am besten geeignet. Bei Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung ≥1C erweisen sich hingegen Partikel mit einer inneren Porosität im Bereich zwischen 10% &lt; ε &lt; 20% als besonders leistungsfähig. Liegen keine Einschränkungen des Batterievolumens vor, wie beispielsweise bei stationären Anwendungen, zeigen Partikel mit höchster Porosität ε &gt; 40% beste elektrochemische Leistungseigenschaften. Eine optimale innere Porosität der Aktivmaterialpartikel ist demnach abhängig von der vorgesehenen Anwendung.