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Li-Ionen-Batterien Systemdaten Elektromobilität von Envites Energy im Eurostars Verbundprojekt  SimBa

Envites Energy wird Partner im durch das Bundesforschungsministerium geförderten EU Eurostars Projekt zu einem kommerziellen Multi-Skalen Simulationswerkzeug für die Batterieforschung.
Das Verbundvorhaben mit namhaften Partnern aus Dänemark und Deutschland stellt an die Nordhäuser Firma in der Li-Ionen-Technologie neue Herausforderungen, die auch eine Erweiterung der personellen Basis mit Naturwissenschaftlern bedeuten.

“Wir sollen Daten zu tatsächlichen Lithiumgehalten in den Batterien der Elektromobilität liefern; wir freuen uns hier als Partner mitwirken zu dürfen.“, so Envites Energy Geschäftsführer Tim Schäfer gegenüber nnz-online.
Um (Lithium)-Ionen-Batterien zu verbessern oder neu zu erarbeiten, die in Ihren 3 Phasen (Elektroden, Elektrolytsystem) Lithiumquellen aufweisen, sind neben den Aktivmaterialien die Anordnung der Separatoren/Elektrolyte, Prozesseinflüsse, Sicherheitsanordnungen, deren Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Herstellungsprozesse selbst maßgeblich.

Die reaktiven Materialien sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode sowie der Elektrolyt enthalten hier Lithiumionen. Im geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess mit Stoffänderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt. Im Akkumulator können Lithiumionen (Li+) frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern (Swing, rocking chair-Prinzip).

Im Gegensatz zu den Lithiumionen sind die Übergangsmetall- und Graphit-Strukturen der Elektroden ortsfest und durch einen Separator vor einem direkten Kontakt geschützt. Die Mobilität der Lithiumionen ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.

Die negative Elektrode ist oft eine Graphit-Intercalationsverbindung mit der allgemeinen Zusammensetzung LixCn, wobei Lithium als Kation vorliegt. Beim Entladen gibt die Intercalationsverbindung Elektronen ab, die über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Gleichzeitig wandern gleich viele Li+-Ionen aus der Intercalationsverbindung durch den Elektrolyten zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithiumionen die Elektronen des externen Stromkreises auf, sondern die dort vorhandenen Strukturen der Übergangsmetallverbindungen.

Je nach Akkumulator Typ können das Cobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisen-Ionen sein, die ihre Ladung ändern. Das Lithium liegt im entladenen Zustand des Akkumulators in der positiven Elektrode weiterhin in Ionenform vor. Innerhalb beider Elektroden können sich Elektronen als Elektronengas frei bewegen und zu den externen Leitern wandern bzw. aus den Leitern in die Elektrode eintreten.

Dieses SimBa-Tool setzt eine genaue Kenntnis des internen Aufbaus der Zelle einschließlich der verwendeten Materialien voraus. Da diese Daten bei kommerziell angebotenen Zellen in der Regel nicht verfügbar bzw. die alterungsbedingten Veränderungen der Materialeigenschaften oft noch nicht hinreichend untersucht sind, wird Envites Energy im Projekt beitragen, solche Daten zu erarbeiten.

Die Olivine, Spinel oder Schichtmaterialien, haben wesentliche, von ihrer Struktur abhängige, Unterschiede. Diese haben einen Einfluss auf die Li+ Diffusion, den gesamten Reaktionsmechanismus und auf die Stabilität im „entladenen“ Zustand.
Allgemeine Materialgrößen und Eigenschaften sind gut beschrieben. Bezüglich aber der Frage des Lithiums selbst, gibt es wenige verwertbare Informationen.

Deshalb soll Envites Energy hier herausarbeiten, was die Massenverteilung und den Gehalt an Lithium in Wh (Wattstunden) eines NCA-Systems aus der Elektromobilität ist (Panasonic-Tesla), konkret einem LiNiCoAlO2-System. Diese Ergebnisse sollen als Referenzdaten in SimBa dienen.

Neben solchen Materialdaten sollen durch Envites Energy Zell- und Systemuntersuchungen durchgeführt werden, um Erkentnnisse für SimBa zu gewinnen, wie: Präparation und Analyse von Zellaufbau und Komponenten in EV Zellen, Aufbau usw. Veränderungen wirken sich in unterschiedlicher Weise auf die Zellchemie und die mechanische Integrität der Zellen aus.

In der Folge kommt es beispielsweise zum Verlust an Lithium durch Reduktion des Elektrolyt und irreversible Einlagerung in das Aktivmaterial der Anode, zur Verringerung der Oberfläche des Aktivmaterials, zum Anstieg des Zellinnenwiderstands, Verlust der mechanischen Stabilität der Verbundelektrode, zur inhomogenen Strom- und Potentialverteilung und zum Verlust an Elektrolyt.

Funktionsprinzip Li-Ionen_Battery


Die Intensität dieser Veränderungen ist dabei auch von den Betriebsbedingungen der Li-Ionen-Zelle abhängig.
So werden die beschriebenen Mechanismen durch insbesondere hohe/niedrige Temperaturen, einen hohen/niedrigen Ladungszustand (SOC), durch Überladung/Tiefentladung und eine große Zyklenrate begünstigt.
Diese Auslegungsdaten für SimBa aus der Elektromobilität stellt Envites Energy zusammen. Die Limitierungen der Materialien sollen des Weiteren durch Envites Energy auch hinsichtlich der Umsetzungs- und Lithiumverluste während der Aktivierungsprozesse sowie in den ersten Zyklen durch Envites Energy in den Zellen untersucht werden.

Hierzu wird der Design-in Ansatz zu den aktuellen Zellen der Elektromobilität untersucht und herausgearbeitet sowie prozessuale Einflüsse aufgearbeitet, die in Ihrer Materialumsetzung auch qualitativ und quantitativ aufgearbeitet werden, nämlich für Befüllung und SEI, PreCharge von Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität in den Prozessen. Weitergehend wird Envites Energy die unterschiedlichen Anordnungen von Stacks/Wickeltechniken aus der Elektromobilität betrachten, um Spezifika herauszuarbeiten, die auf die Frage Elektrolyte, Befüllungen (Lithium) führen. Neben diesen Arbeitsergebnissen wird dazu für SimBa konkret auf Prozessaspekte wie PreCharge oder die SEI Bildung Bezug genommen.

Insbesondere für die Zellsysteme der Elektromobilität ist die Frage des Li-Elektrolyten von großer Bedeutung. Die Befüllgrade der Zellen sind eine weitere Information, die Envites Energy erarbeiten bzw. ableiten wird und SimBa zur Verfügung stellt. Für die diversen Zelltypen werden signifikante Unterschiede in den Elektrolyten erwartet, die im Tool Ihren Niederschlag finden müssen. Weitergehend wird Envites Energy Zelldaten zu aktuellen, neueren, bereits kommerziell verfügbaren Zelldaten zu Zellsysteme für die Elektromobilität herausarbeiten.

Mit dem Modell selbst soll dann untersucht werden, ob sich bereits eine „Made in Germany“ Zelle ableiten lässt, die bereits einen hohen Optimierungsgrad für PHEV II aufweist. Mit BMW ist bereits ein Interessent für diese Ergebnisse mit im Projekt.
Das Projekt wird 2020 abgeschlossen.