title: Diskrete elektrochemische Modellierung für Elektrodendesign und Laderegelung von Lithium-Ionen-Batterien
Creators: name: Hahn, Markus
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2022
Subjects: subject: Lithium-Ionen-Batterie
subject: Schnellladen
subject: Modellierung
subject: Simulation
subject: 620

description: Die Elektrifizierung des Energie- und Verkehrssektors basierend auf erneuerbaren und CO 2 -neutralen Energieträgern ist unabdingbar, um das Ziel des Übereinkommens von Paris erreichen zu können: Die Begrenzung der anthropogenen Klimaerwärmung auf 1,5°C. In beiden Sektoren ist, bedingt durch die Volatilität erneuerbarer Energien und die Mobilitätsbedürfnisse der Bevölkerung, die effiziente und kostengünstige Speicherung von Energie notwendig. Hierfür kommen zunehmend Lithium-Ionen- Batterien in unterschiedlichsten Anwendungsszenarien zum Einsatz, welche neben einer Vielzahl an Vorteilen gegenüber konkurrierenden Technologien auch Herausforderungen mit sich bringen. So ist die Schnellladefähigkeit, welche die Dauer des Ladevorgangs analog zum Tankvorgang von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor definiert, technisch limitiert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von ingenieurtechnischen Methoden und Werkzeugen, welche es ermöglichen, die Grenzen der Schnell- ladefähigkeit präzise zu bestimmen und durch Anpassungen auszudehnen. Nach der Diskussion des Aufbaus und des Funktionsprinzips von Lithium-Ionen-Batterien wird zu- nächst die Charakterisierungsmethode der Verteilung der Zeitkonstanten beschrieben und gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelt. Zudem wird der Einfluss der Metaparameter auf die Vertei- lungsfunktion identifiziert. Diese erlaubt die Trennung, Identifikation und Quantifizierung ablaufender Prozesse in beliebigen elektrochemischen Systemen ohne die Notwendigkeit von Vorwissen, Annahmen und Modellen basierend auf üblichen elektrischen Messverfahren. Die Charakterisierung von Lithium-Io- nen-Batterien wird häufig dazu verwendet, Batteriemodelle zu motivieren und zu parametrieren. Die eingesetzten Modelle sind in der Lage, das Verhalten in unterschiedlichen Betriebsfällen zu beschreiben und vorherzusagen. Diese Vorhersagefähigkeit kann auch für Schnellladestrategien genutzt werden. Die nach Stand der Wissenschaft und Technik verwendeten Modellansätze erfüllen die Anforderungen für eine Laderegelung anhand lokaler Zustände innerhalb der Batterie jedoch nur unzureichend. Darüber hinaus sind nulldimensionale Modelle, welche keine Ortsinformation beinhalten, nicht geeignet, das Verhalten poröser Elektroden zu charakterisieren und zu quantifizieren. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit, ein aus der Energie- und Nachrichtenübertragungstechnik stammendes Impedanzmodell für Batterieelektroden zu adaptieren, in den Zeitbereich zu transformieren, echtzeitfähig zu lösen und für die Schnellladung anzuwenden. Dieses Kettenleiter- oder Leiterbahnmodell charakterisiert stets Einzelelektroden und ermöglicht ei- ne örtliche Auflösung entlang der Flächennormalen der Elektrode. Als gemischt leitendes Netzwerk charakterisiert die diskrete, elektrochemische Modellstruktur sowohl ionischen als auch elektronischen Ladungstransport in einem. Mithilfe der aus der Verteilungsfunktion der Zeitkonstanten identifizier- ten Prozesse wird die Modellstruktur, bestehend aus konzentrierten elektrischen Netzwerkelementen, hergeleitet, im Zeit- und Frequenzbereich mathematisch beschrieben und implementiert. Anders als für den ursprünglichen Verwendungszweck in der Übertragungstechnik findet eine Diskretisierung des Modells und damit einhergehend der Elemente statt, um die Transformation in den Zeitbereich zu erlauben. Aufgrund dieser örtlichen Aufteilung der ablaufenden Prozesse wird der Ansatz in der vor- liegenden Arbeit als diskretes elektrochemisches Modell bezeichnet. Durch die Modellstruktur ergibt sich eine Einordnung zwischen nulldimensionalen, phänomenologischen Ersatzschaltbildmodellen und physikalisch-chemischen Modellen. Während das Frequenzbereichsmodell mithilfe einer analytischen Übertragungsfunktion iterativ be- stimmt und gelöst werden kann, ist im Zeitbereich ein angepasstes numerisches Verfahren nötig. Es ent- steht ein differentiell-algebraisches Gleichungssystem, welches besondere Stabilitätsanforderungen an den Lösungsalgorithmus stellt. Daher kommt ein linear-implizites Euler-Verfahren zum Einsatz. Durch dessen effiziente Ausführung ist eine Simulation des Modells auf einer Echtzeitumgebung im technisch relevanten 10ms-Takt möglich. Die Modellparametrierung erfolgt im Frequenzbereich anhand elektro- chemischer Impedanzspektren. Für Messdaten auf Halbzellebene wird kommerzielles Elektrodenmate- rial in Experimentalzellen mit Referenzelektrode eingebracht. Die Modellgüte und Interpretierbarkeit der Parameter zeigen eine starke Abhängigkeit von der gewählten Diskretisierung. Für ein interpretier- bares Ergebnis mit hoher Güte sind im Frequenzbereich mindestens einige hundert diskrete Elemente notwendig. Aufgrund der geringen Anzahl an Modellparametern ist die Parametrierung effizient und eindeutig. Im Zeitbereich zeigt das so parametrierte Modell bereits bei einer wesentlich gröberen Dis- kretisierung eine hohe Übereinstimmung mit Validierungsmessungen hoher und niedriger Dynamik. Einige im Rahmen studentischer Arbeiten entwickelte Modellerweiterungen zeigen Möglichkeiten auf, den Rechenaufwand weiter zu reduzieren und zwei Einzelelektrodenmodelle zu einem Vollzellmodell zu kombinieren. Zur praktischen Anwendung kommt das Frequenzbereichsmodell in einer Studie zur Analyse des Elek- trodendesigns der untersuchten Anode. Neben der generellen Auswirkung von veränderten Modellpa- rametern wird die simulative Veränderung verschiedener Elektrodeneigenschaften wie der Dicke, der Porosität oder der Partikelgrößen untersucht. Es zeigt sich, dass die ursprüngliche Elektrode nahe am Optimum einer Hochenergiezelle konzipiert ist. Gleichzeitig wird deutlich, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, auch veränderte Elektrodeneigenschaften nachzubilden. Es ist somit geeignet, modellba- siert Elektroden mit bedarfsgerechten Eigenschaften unter geringem Zeitaufwand zu designen und zu optimieren. Hierzu zählt insbesondere die Identifikation limitierender Faktoren während der Ladung, um so durch Veränderung der Elektrodengeometrie die Schnellladefähigkeit zu verbessern. Schließlich wird das Zeitbereichsmodell eingesetzt, um mithilfe einer modellprädiktiven Regelung eine hinsichtlich verschiedener Kostenfunktionen optimale Schnellladung durchzuführen. Eine Möglichkeit ist die Regelung des Elektroden-Oberflächenpotentials auf einen vordefinierten Wert, welcher eine Schä- digung der Elektrode aufgrund von Lithium-Metallabscheidung verhindert. Auf diese Weise ist eine maximale Ausnutzung der Schnellladefähigkeit der gegebenen Elektrode möglich, ohne diese hierdurch signifikant zu schädigen. Auf einen dem Stand der Technik entsprechenden, großen Sicherheitsfaktor kann verzichtet werden, da anstatt des Klemmenverhaltens lokale interne Zustände verwendet werden. Ein zweiter Ansatz erlaubt die Abwägung zwischen einer weitergehenden Verkürzung der Ladezeit und der hierdurch beschleunigten Alterung, welche der Nutzer bedarfsgerecht durchführen kann. So lassen sich zukünftig beispielsweise Elektrofahrzeuge bedarfsgerecht mit minimaler Dauer laden. Der Ladeal- gorithmus zeigt sich stabil gegenüber Unsicherheiten der Modellparameter und bedarf für einen Einsatz im Batteriemanagementsystem einer Zustandsschätzung, welche sich zum Zeitpunkt des Einreichens der vorliegenden Arbeit in Entwicklung befindet. Das entwickelte Modell ist somit in der Lage, die Anforderungen hinsichtlich der Schnellladefähigkeit sowohl im Entwicklungseinsatz als auch in einem Laderegler zu erfüllen und stellt einen Mehrwert gegenüber dem Stand der Technik dar. Anders als bisherige Modelle vereint der hier vorgestellte An- satz eindeutige Parametrierbarkeit und Echtzeitfähigkeit aufgrund der elektrischen Netzwerkstruktur mit ortsaufgelösten, elektrochemisch-physikalisch interpretierbaren Zuständen im Elektrodeninneren. Der Einsatzzweck des Modells ist zudem nicht auf die genannten Bereiche limitiert: Weiterführende Arbeiten können, basierend auf der Grundstruktur, auch das thermische Verhalten der Batterie charak- terisieren und detaillierte Alterungsstudien durchführen. Auch die Eignung neuartiger Festelektrolyte und deren Einsatz im Elektrodenverbund wird zukünftig auf Basis des vorgestellten Modells evaluiert.