Implementierung und Parametrierung eines physikalischen Simulationsmodells einer Lithium-Ionen Zelle zur Analyse elektrochemisch-mechanischer Wechselwirkungen

Sauerteig, Daniel GND

Die Interkalationsreaktion von Lithium (Li) in Li-Ionen Batterien ist häufig mit signifikanten Volumenänderungen der Aktivmaterialien verbunden. Zusätzlich kommt es über die Lebensdauer zu einer irreversiblen mechanischen Ausdehnung, die u.a. durch die Reaktion von Elektrolytkomponenten an der Elektrodenoberfläche hervorgerufen wird. Die Limitierung des mechanischen Bauraums in Batteriezellen und -systemen führt in Folge der Elektrodenausdehnung zu mechanische Spannungen, die nachgewiesener Weise die Zellalterung und damit die Eigenschaften des elektrochemischen Systems beeinflussen. Für eine fundamentale Beschreibung des mechanischen Einflusses sind grundlegende elektrochemische Methoden notwendig. Zur physikalischen Beschreibung dieser Effekte stellt diese Arbeit ein umfassendes Simulationsmodell vor. Die elektrochemischen Gleichungen basieren auf dem Modell nach Newman, welches um einen mechanischen und thermischen Ansatz ergänzt wurde. Die mechanische Erweiterung ermöglicht die Berechnung der Volumenänderung der Komponenten in Abhängigkeit der Li-Konzentration und der mechanischen Randbedingungen. Die mechanisch-elektrochemische Kopplung ist dadurch abgebildet, dass die herrschenden mechanischen Drücke die Porosität und somit die ionischen Transporteigenschaften der porösen Elektroden und des Separators beeinflussen. Die temperatur- und konzentrationsabhängige Parametrisierung des elektrochemisch-mechanischen Modells wird vollständig in dieser Arbeit durchgeführt. Die Bestimmung der Eigenschaften der verwendeten Aktivmaterialien erfolgt durch Anwendung spezieller Dreielektroden-Zellen, wodurch Anode und Kathode getrennt voneinander parametrisiert werden. Besonders dünne Elektrodenschichten minimieren dabei den Einfluss des Elektrolyten. Die physikalische Beziehung zwischen dem mechanischen Druck und der ionischen Leitfähigkeit der Komponenten konnte direkt gemessen und mittels Simulationsergebnissen bestätigt werden. Der physikalische Modellansatz verdeutlicht, dass eine mechanische Verspannung von Zellen die Entstehung von Li-Konzentrationsgradienten während der Ladung und Entladung verstärkt.

Lithium (Li) intercalation leads to considerable reversible and irreversible volume alterations in many host materials for Li ion batteries. Irreversible effects during battery operation also contribute to electrode thickness growth. These phenomena are of high practical importance for the material implementation and further technological scale-up. It is since long time established that electrode swelling and accumulation of mechanical stress in battery systems are related to the ageing behaviour of the materials. For aquiring a more fundamental understanding of the associated relations, the influence of the mechanical conditions on the electrochemical behavior should be investigated. In order to quantitatively describe the related effects, a comprehensive theoretical model was developed. The present work applies Newman's electrochemical model and extends it by mechanical and thermal approaches. The mechanical model accounts the expansion and compression of the components, depending on Li-concentration and mechanical constraints. The mechanical- electrochemical coupling is implemented by using pressure-dependent ionic transport within the porous electrodes and separator. The temperature and concentration dependent parameterization of electrochemical-mechanical model was conducted within this work. Concerning the electrochemical parameters of the system, customized three electrode cells with minimal electrolyte influence where applied to discriminate the anode and cathode electrical parameters. The coupling of mechanical stress and ionic conductivity of the porous electrodes and the separator was successfully performed. This approach is additionally validated by comparing the simulation results with experimental data. The high accuracy of the parameterized model enables the conclusion that the stress formation on the electrodes increases Li-concentration gradients during charging and discharging.

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Sauerteig, Daniel: Implementierung und Parametrierung eines physikalischen Simulationsmodells einer Lithium-Ionen Zelle zur Analyse elektrochemisch-mechanischer Wechselwirkungen. Ilmenau 2018.

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