Photonische Sensoren zur Zustandserkennung von Lithiumionenbatteriezellen und deren Beitrag für einen sicheren und optimierten Betrieb dieses Stromspeichertyps

Nedjalkov, Antonio GND

Das übergeordnete Ziel der in dieser Arbeit vorgestellten Forschungstätigkeiten ist die Entwicklung eines optischen Batteriemanagementsystems basierend auf den Zustandsgrößen Spannung, Strom, Temperatur und Volumenausdehnung. Diese Variablen wurden als die für eine Lithiumionenbatteriezellüberwachung der gegenwärtigen Generation kritischen Parameter identifiziert. Während vor allem die Spannungs- und Strommessung durch elektrische Sensoren vollständig etabliert sind, befinden sich photonische Messsysteme noch im Entwicklungsstadium; dies betrifft einerseits technische Faktoren wie Auflösungsvermögen, Störgrößenabhängigkeit oder Haltbarkeit und andererseits wirtschaftliche Aspekte wie Stückkosten oder Vermarktungsstrukturen. Nichtsdestotrotz sind optische Sensoren mit prinzipbedingten Vorzügen versehen, die zuvörderst die Zustandsgrößen Dehnung und Temperatur anbelangen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit mit sehr geringem Verkabelungsaufwand eine Vielzahl an planaren Sensorstellen zu realisieren, die zudem keine Querempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern und ein hohes Maß an Miniaturisierung aufweisen. Unter diesem Hintergrund wurden Lithiumionenbatteriezellen im Pouch-Format extern auf dem Hüllenmaterial mit faseroptischen Dehnungs- und Temperatur-Bragg-Gittersensoren versehen, mit denen ein lade- und gesundheitszustandsabhängiges Signalverhalten festgestellt wurde. Zusätzlich wurden charakteristische Punkte im Dehnungsprofil der Zellen als Anhaltspunkte für eine Zustandsbestimmung identifiziert. Änderungen der Expansions- und Kompressionsraten der Aktivmaterialien signalisieren relevante und zumeist alterungsabhängige Vorgänge in den Kristallgittern, welche insbesondere dadurch veranschaulicht werden können, wenn die Dehnungsrate mit der Temperatur- beziehungsweise Ladungs- oder Spannungsänderung gegenübergestellt wird. Für eine praxistaugliche Zustandsmessung ist es erforderlich die Sensorik von der Zell- auf die Modulebene zu übertragen. Speziell bei einer ortsaufgelösten Feldmessung auf den Zelloberflächen innerhalb einer Reihenverschaltung mit einer Vielzahl an benötigten Dehnungs- und Temperaturmessstellen konnte das Potenzial der faseroptischen Sensorsysteme demonstriert werden, in dem eine zuverlässige und reproduzierbare Bestimmung des Zellverhaltens erfolgte. Um eine verzögerungsfreie Beurteilung und präzise Zuordnung der elektrochemischen Reaktionen zu bewerkstelligen, besteht die Notwendigkeit zellintern anoden- und kathodenseitige Messungen sowie Untersuchungen im Elektrolyten vorzunehmen. Es wurde mithilfe optischer Anodendehnungssensoren festgestellt, dass ein gegenüber der externen Signalaufnahme unverkennbareres Verlaufsprofil auftritt. Für die chemischen Untersuchungen im Elektrolyten wurden brechungsindexsensitive Bragg-Sensoren entwickelt, mit denen eine Messung der Leitsalzkonzentration durchgeführt wurde. Eine wesentliche Herausforderung beim Einsatz faseroptischer Sensorsysteme für Batterieanwendungen ist die Applizierbarkeit und Integrierbarkeit im industriellen Maßstab. Deshalb wurde ein Konzeptentwurf für eine polymeroptische Sensorstruktur entwickelt. Die Hauptkomponenten dieser Polymersensorfolie sind Ein- und Auskoppler, Polymer-Bragg-Gitter und Polymer-Zeilenwellenleitergitter, wovon die beiden letztgenannten Bestandteile im Rahmen der Arbeit realisiert wurden. Als eine wesentliche Herausforderung hat sich der Einfluss von Störgrößen beim Vermessen von Zuständen mittels polymeroptischer Sensoren herausgestellt. Durch gezielte Experimente konnte dargelegt werden, welches Potenzial anwendungsoptimiert programmierte und angelernte Neuronale Netzwerke für die Auswertung der Bragg-Sensoren im Hinblick auf eine Störgrößenbeseitigung verfügen. In diesem Zusammenhang wurden fernerhin optische Sensorsysteme an vorgealterten Zweitelebensdauerbatterien mit dem Ziel getestet, eine Schnellcharakterisierung von Alterungsvorgängen sowie einen sicheren Betrieb von Lithiumionenbatteriezellen bei einem gleichzeitig vollständigen Ausnutzen der Leistungsfähigkeit unter geringstmöglicher Degradation zu realisieren.

The main objective of the research activities presented in this thesis is the development of an optical battery management system based on state variables voltage, current, temperature and volume expansion. These variables were identified as the critical parameters for monitoring of lithium ion battery cells in the current generation. While particularly voltage and current measurements by electrical sensors are fully established, photonic measurement systems are still in the development stage. On the one hand, this concerns technical factors such as resolution capability, disturbance dependency or durability and, on the other hand, economic aspects such as unit costs or marketing structures. Nevertheless, optical sensors have physical principle-related advantages, which primarily involve the state variables strain and temperature. For instance, it is possible to realize a large number of planar sensor positions with a very low wiring effort, which in addition have no cross-sensitivity to electromagnetic fields and a high degree of miniaturization. With this in mind, pouch-format lithium ion battery cells were equipped externally on the casing material with fiber-optical strain and temperature Bragg grating sensors, which were utilized to detect signal behavior depending on the state of charge and state of health. Furthermore, characteristic points in the expansion profile of the cells were identified as indicators for a status determination. Changes in the expansion and compression rates of the active materials signal relevant and mostly agedependent processes in the crystal lattices, which can be illustrated in particular by contrasting the strain rate with the temperature or charge or voltage change. For a practice-oriented status monitoring, it is essential to transfer the sensor technology from the cell to the module level. The potential of fiber optical sensor systems was demonstrated, especially in a spatially resolved field measurement on the surfaces of cells within a series connection with a large number of required strain and temperature measurement points, where a reliable and reproducible determination of the cell behavior was carried out. In order to achieve a delay-free assessment and precise assignment of the electrochemical reactions, it is required to perform cell-internal anode and cathode measurements as well as investigations in the electrolyte. By using optical anode strain sensors, it was identified that a more distinctive gradient profile occurs compared to the external signal image. For the chemical investigations in the electrolyte, refractive index-sensitive Bragg sensors were developed, with which a measurement of the conductive salt concentration was conducted. A major challenge in the utilization of fiber optic sensor systems for battery applications is the applicability and integrability on an industrial scale. Therefore, a conceptual design for a polymer optical sensor structure was created. The main elements of this polymer sensor foil are input and output couplers, polymer Bragg gratings and polymer arrayed waveguide gratings, of which the latter two were realized as part of the work. The influence of disturbance variables when measuring state conditions using polymer optical sensors has proved to be a major challenge. By means of selective experiments, it was possible to demonstrate the potential of application-optimized programmed and trained neural networks for the evaluation of Bragg sensors with respect to the elimination of disturbance variables. In this context, optical sensor systems were also tested on pre-aged second-life batteries with the aim of realizing a rapid characterization of aging processes as well as a safe operation of lithium ion battery cells, while fully exploiting their performance capability with a minimum of degradation at the same time.

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Nedjalkov, Antonio: Photonische Sensoren zur Zustandserkennung von Lithiumionenbatteriezellen und deren Beitrag für einen sicheren und optimierten Betrieb dieses Stromspeichertyps. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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