Li-Ionen Zellen dehnen sich während des Ladens aufgrund von Volumenänderungen der Aktivmaterialien bei der Lithium-Interkalation reversibel aus. Zusätzlich führen Alterungsmechanismen der Anode zu einem signifikanten und irreversiblen Wachstum der Zellen. Da die Zellen für ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen in Modulen verspannt werden, führt diese Ausdehnung zu einem Anstieg des Drucks im Modul. Sowohl die Performance als auch die Alterung der Zellen sind abhängig vom äußeren Druck. Die Wechselwirkungen von Modulverspannung, Druckentwicklung und Alterung sind jedoch noch weitestgehend unbekannt, da in der Literatur bisher keine systematische Untersuchung von realistischen mechanischen Druckbedingungen durchgeführt wurde. Im Rahmen dieser experimentellen Arbeit wurden die Effekte der Modulsteifigkeit und der initialen Verspannung von Zellen auf die zyklische und kalendarische Alterung, das Zelldickenwachstum und die Druckentwicklung im Modul anhand von drei unterschiedlichen Zelltypen untersucht, die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen entwickelt wurden. Auf Basis der statistischen Versuchsplanung konnten die Effekte modelliert und hinsichtlich ihrer statistischen Signifikanz bewertet werden. Im Anschluss wurden die dominanten Alterungsmechanismen und die limitierenden Alterungseffekte im Rahmen einer elektrochemischen Charakterisierung und Post-Mortem-Analyse identifiziert. Den größten Effekt auf die Druckentwicklung im Modul hat die Modulsteifigkeit, ein Einflussfaktor, der bisher in der Literatur weitestgehend vernachlässigt wurde. Der Einfluss der initialen Verspannung hängt stark von den mechanischen Eigenschaften der Zelle ab. Alle drei Zelltypen zeigen druckabhängige Alterungseffekte und -mechanismen, wie z. B. Kathoden-Aktivmaterialverluste aufgrund von Partikelbrüchen, eine zunehmend inhomogene Alterung oder Li-Plating an den Rändern der Anode. Im letzten Schritt wurde das mechanische Moduldesign hinsichtlich der volumetrischen Energiedichte über die Lebensdauer optimiert. Im Rahmen einer experimentellen Optimierung wurde der Einfluss des Designs von Pufferelementen auf die volumetrische Energiedichte bei zyklischer Alterung untersucht und ein optimales Design abgeleitet.
Li-ion cells undergo reversible volume changes upon charging and discharging due to volume expansion of the active materials during lithium intercalation. In addition, cells have been shown to swell irreversibly due to multiple anode aging mechanisms. For their use in electric vehicles, cells are usually stacked within and constrained by a rigid module. Consequently, volume changes lead to an increase in pressure in the module. Both performance and aging of the cells are affected by the external pressure. However, the interactions of module design, pressure evolution and cell aging are still largely unknown since no systematic investigation of realistic mechanical constraints has been carried out in literature to date. In this experimental work, the effects of module stiffness and initial compression on cyclic and calendric aging, cell swelling, and pressure evolution were investigated using three different cell types that were manufactured for use in electric vehicles. Using design of experiments, these effects were evaluated regarding their statistical significance and modelled accordingly. Subsequently, an electro-chemical characterization and a post-mortem analysis was performed to identify the dominant aging mechanisms and limiting aging effects. The module stiffness was shown to have the largest effect on pressure evolution, despite being mostly neglected in literature so far. The effects of initial compression strongly depend on the mechanical properties of the cell. All cell types show strong pressure-dependent aging mechanisms, such as cathode active material loss due to particle cracking, increasing heterogeneous aging or lithium plating at the anode edges. Finally, the mechanical module design was optimized regarding the volumetric energy density over lifetime. In an experimental optimization, the influence of buffer layer design on volumetric energy density during cyclic aging was investigated and an optimal buffer layer design was derived to increase energy density over lifetime.
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