Cell Design and Performance
Die Themeninsel beschäftigt sich mit der Designoptimierung und Performancesteigerung von Einzelzellen sowie Zellsystemen in Elektrofahrzeugen. Exemplarisch werden vier aktuelle Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) von der Einzelzelle bis zum Upscaling auf Systemebene präsentiert: Zelldesignoptimierung auf Schnellladefähigkeit, Energiedichtesteigerung durch Silizium als Anodenmaterial, Temperaturmanagement von Batteriesystemen und Optimierung der mechanischen Zellver-spannung für Cell-to-Pack Strategy.
Einzelzellebene
Frank et al. 2022 Journal of the Electrochemical Society.
Fokusthema: Zelldesignoptimierung auf Schnellladefähigkeit
Mehrdimensionale multiphysikalisch gekoppelte Simulationsmodelle ermöglichen lokale Betrachtungen des Zellverhaltens unter verschiedensten Anwendungsszenarien. So können verschiedene Zelldesigns und Formate hinsichtlich Schnellladefähigkeit bewertet werden.
Speziell neue Zelldesigns wie das zylindrische 4680 Format mit kontinuierlichen Stromableitern, auch als Tabless-Design bezeichnet, bergen ein großes Potential zur Energiedichtesteigerung bei gleichzeitig verringerten Schnellladezeiten. Vor allem für großformatige Zellen stellt das Tabless-Design durch eine verringerte Wärmegeneration und erhöhte Zellhomogenität eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Ableitergeometrien dar.
Dickenänderung einer SiG Kompositelektrode mit 20 wt.% Silizium.
Moyassari et al. 2022 Journal of the Electrochemical Society.
Fokusthema: Energiedichtesteigerung durch Silizium als Anodenmaterial
Silizium als Anodenmaterial ermöglicht aufgrund seiner hohen gravimetrische Energiedichte von bis zu 3.600 mAh g-1 im Vergleich zu 372 mAh g-1 für Graphit eine signifikante Steigerung der Energiedichte.
Um die große Volumenarbeit des Aktivmaterials zu kompensieren, sind Silizium-Graphit Komposite ein vielversprechender Ansatz. Der EES erprobt derzeit Kompositelektroden mit bis zu 20 Gewichtsprozent Silizium.
Upscaling auf Systemebene
Steinhardt et al. 2021 Journal of Energy Storage.
Fokusthema: Temperaturmanagement
Eine der Kernkompetenzen des EES ist die Projektierung von individuell konstruierten Spezialprüfständen. Diese ermöglichen eine detaillierte Parametrierung und Validierung der Batteriemodelle, sowie die empirische Untersuchung von externen Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten von Lithium-Ionen-Zellen.
Im Thermoprüfstand können bei definierter Umgebungstemperatur verschiedene Kühlstrategien von konvektiver Kühlung und Flächenkühlung bis hin zur Ableiterkühlung auf Einzelzellen und Zellmodule appliziert werden. Dies ermöglicht die Optimierung der Kühlstrategie in Bezug auf Performance und Lebensdauer, sowie die Hochskalierung von der Zelle bis zum System.
Aufschläger et al. 2023 Journal of Energy Storage.
Fokusthema: Optimierung der mechanischen Zellverspannung für Cell-to-Pack Strategy
Die direkte Integration von Einzelzellen in das Batteriepack ohne Zellmodule als Zwischenebene bietet signifikante Chancen zur Steigerung der Energiedichte bei gleichzeitiger Kostenreduktion und wird als Cell-to-Pack Strategy bezeichnet. Eine Herausforderung ist dabei die mechanische Kontrolle des Breathing- und Swellingverhaltens der Zellen, um einen optimalen Verspanndruck über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten.
Auf der Themeninsel werden zwei Prüfstandkonzepte zur Verspannung von ein oder mehreren Lithium-Ionen-Zellen auf definierte mechanische Randbedingungen von konstantem Druck bis zu konstanter Zelldicke vorgestellt. Somit können anwendungsnahe Betriebszustände nachgebildet und die Initialverspannung der Zellen bei der Speicherassemblierung hinsichtlich Performance und Lebensdauer optimiert werden.
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