Methode zur Zustandsbewertung thermisch beschädigter Lithium-Ionen-Zellen

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind ein dominierender elektrischer Energiespeicher in vielen Anwendungen und spielen eine zentrale Rolle bei der aktuellen Verkehrswende hin zur Elektromobilität. Ihre vergleichsweise hohe Energiedichte und gleichzeitig begrenzte thermische Stabilität stellen jedoch erhebliche Sicherheitsherausforderungen im Hinblick auf das thermische Durchgehen dar. Um die thermische Stabilität und damit verbundenen Sicherheitsrisiken zu bestimmen, müssen kostenintensive und komplexe Sicherheitstests durchgeführt werden. Die Auswertung dieser Tests basiert maßgeblich auf der visuellen Beobachtung des Prüflings und liefert nur begrenzte Informationen. Aus diesem Grund sind viele Wiederholungstests erforderlich, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Bei der Untersuchung der Missbrauchstoleranz von LIBs liegt der Schwerpunkt auf der Frage, ob die Batterie den Missbrauch ohne äußere Beschädigung übersteht. Bisher werden jedoch vorbeschädigte Zellen nicht ausreichend untersucht, und die Auswirkungen der Vorbeschädigungen auf die Sicherheit sind unbekannt, was mit potenziellen Risiken verbunden ist. Derzeit gibt es aus Sicht des Autors keine Methode zur Bewertung und Risikoabschätzung vorgeschädigter Lithium-Ionen-Batterien.
Der Inhalt der Dissertation ist auf die Entwicklung einer Bewertungsmethode für thermisch geschädigte LIBs ausgerichtet, die äußerlich und elektrochemisch intakt scheinen.
Die Methodik hat zum Ziel, die thermische Stabilität von LIB durch die Identifikation der Zersetzungsprozesse, die noch zu keiner visuellen Beschädigung führen, zu bewerten. Dies ermöglicht eine umfassende elektrochemische Charakterisierung von LIBs in verschiedenen Stadien der Zersetzung. So kann bei unzulässiger thermischer Belastung der Batterie ein Zusammenhang zwischen Kapazitätsabnahme, Widerstandszunahme und irreversiblem Anstieg des Innendrucks nachgewiesen werden. Diese Zustandsgrößen dienen zur Quantifizierung der aufgetretenen Zersetzungsreaktionen.
Die entwickelte Bewertungsmethode ermöglicht anhand der Veränderungen im elektrochemischen Verhalten der Batterie die Bestimmung des Beschädigungsgrades. Sie bietet eine Bewertungsskala, die nicht nur den Grad der Beschädigung quantifiziert, sondern auch Einblicke in die aufgetretenen Zersetzungsreaktionen und das damit verbundene Sicherheitsrisiko gibt. Diese Methode ist einerseits für die Auswertung von Sicherheitstests relevant, andererseits für die Identifizierung von Post-Failure-Zuständen, die als Folge von Betriebsfehlern auftreten können. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigen die Notwendigkeit, diese Zustände zu erkennen, da die inneren Beschädigungen der Batterie beim weiteren Betrieb weitere Batteriefehler auslösen, die ein hohes Sicherheitsrisiko darstellen.