Lithium-Ionen Batterien - Thermische Inhomogenitäten und thermisches Design

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Sabine Paarmann
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506629963

Lithium-Ionen-Batterien sind für die Elektromobilität unerlässlich. Mit ihrem hohen Wirkungsgrad und geringen Emissionen leisten sie einen entscheidenden Beitrag zum Kampf gegen die Klimakrise. Ihr Potential kann durch die Steigerung von Leistung und Lebensdauer weiter ausgeschöpft werden. Die Industrie hat sich bisher auf die Optimierung der elektrochemischen Größen Energie- und Leistungsdichte konzentriert und dem thermischen Verhalten kaum Aufmerksamkeit gewidmet. Die Temperatur im Zellinneren ist jedoch von entscheidender Bedeutung, da sie die Leistung, nutzbare Energie und Lebensdauer beeinflusst. Die Quantifizierung ihrer Auswirkungen wird erschwert, wenn Temperaturgradienten berücksichtigt werden, die durch externe Temperiersysteme bzw. der Selbsterwärmung hervorgerufen werden. Diese unvermeidbaren Temperaturinhomogenitäten sind die Hauptursache für inhomogene Zellparameter, die zu lokal unterschiedlicher Materialbelastung, reduzierter nutzbarer Energie und einer verkürzten Lebensdauer führen. Das erste Projektziel besteht daher darin, einen Zellinhomogenitätskoeffizienten als thermische Kenngröße zu entwickeln, um Temperaturgradienten, deren Orientierung -parallel oder senkrecht zu den Elektrodenschichten– zu quantifizieren und deren Auswirkung auf die Leistung zu bewerten. So lässt sich letztlich die maximal tolerierbare Temperaturdifferenz einer Zelle bestimmen.Während des Betriebs entsteht aufgrund von Verlustprozessen Wärme im Zellinneren. Diese Wärmeentwicklung hängt von Strom und Widerstand ab, die wiederum von der Temperatur beeinflusst werden. Die lokale Wärmeentwicklung wird somit von zahlreichen voneinander abhängigen Faktoren bestimmt, so dass eine Beschreibung über simple Gleichungen nicht möglich ist. Sie ist jedoch für die Leistung relevant und kann für die Sicherheit entscheidend sein. Daher wird als zweites Ziel die lokale Wärmeentwicklung und ihre Wechselwirkung mit der Temperatur bestimmt, um die kritischsten Betriebsbedingungen zu ermitteln.Neben der Wärmeentwicklung bestimmt die Wärmeabfuhr das Temperaturniveau und die Größe der Temperaturgradienten. Hier ist das Zelldesign entscheidend für eine vorteilhafte Temperaturverteilung. Die meisten Zelldesigns werden nur hinsichtlich der elektrischen Leistung optimiert, obwohl dies die nutzbare Energiedichte verringert, wenn das gewählte Design das thermische Verhalten negativ beeinflusst. Vor diesem Hintergrund besteht das dritte Projektziel darin, Regeln für die thermische Zellauslegung zu ermitteln, um deren Leistung und Lebensdauer zu erhöhen. Daraus lassen sich ein optimales thermisches Design der Zelle und ihrer Komponenten, sowie eine optimierte Dimensionierung des externen Wärmemanagementsystems ableiten.Insgesamt wird dieses Projekt einen enormen Beitrag zum Verständnis und zur Bewertung von Temperaturverteilungen in Lithium-Ionen Batterien leisten und praktische Auslegungsregeln bereitstellen, um deren Leistung und Lebensdauer deutlich zu verbessern.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Gregory Offer