Swelling-Verhalten von Lithium Ionen Zellen und zerstörungsfreie Detektion des Swelling-Phänomens

Ein bekanntes Alterungsphänomen von Lithium-Ionen-Zellen ist das sogenannte Swelling, bei dem es zu Verformungen der äußeren und inneren Zellgeometrie kommt. Diese Verformungen resultieren aus verschiedenen elektrochemischen und physikalischen Mechanismen und führen zu Degradationseffekten wie Kapazitätsverlust und erhöhtem Innenwiderstand. Zudem stellen die durch Swelling verursachten mechanischen Kräfte eine Herausforderung für die strukturelle In-tegrität von Zellmodulen dar. In dieser Arbeit wurden die Swelling-Kräfte von Lithium-Ionen-Zellen auf zwei Ebenen – Zell- und Modulebene – untersucht und zerstörungsfrei detektiert. Dabei kamen verschiedene Mess-methoden zum Einsatz, darunter elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Dehnmessstreifen (DMS) und Druckmessfolien (DMF). Auf Zellebene wurden die Ausdehnungen über der gesamten Lebensdauer unter verschiedenen Randbedingungen, Temperaturen und Vorspannkräften erfasst. Hierfür wurde ein spezifischer Testaufbau entwickelt. Auf Modulebene wurden sowohl gealterte Module, Dauerrückläufer, hinsichtlich ihres Swelling-Verhaltens nachträglich analysiert als auch ein Modul, mit unterschiedlicher Messtechnik, aufgebaut, um das Verhalten unter Betriebsbedingungen zu untersuchen. Zusätzlich wurde geprüft, inwiefern ein auf Zellebene erstelltes Modell zur Vorhersage der Swelling-Kräfte auf Modulebene angewandt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Temperatur, Vorspannkraft und Alterungsprozesse das Swelling-Verhalten signifikant beeinflussen. Durch datengetriebene Modellierung konnte die irreversible Zell-Ausdehnung auf Basis zerstörungsfreier Methoden (SoH, EIS, Temperaturmessungen) erfolgreich vorhergesagt werden. Zudem wurde ein Zusammenhang auf Modulebene zwischen EIS, SoH und irreversibler Ausdehnung hergestellt, der durch nachträgliche Messungen an Dauerrückläufern bestätigt wurde. Die über die Lebensdauer des Messmoduls durchgeführten DMS-Messungen lieferten valide Ergebnisse, die sich mit den an den Dauerrückläufern gewonnenen Messdaten deckten. Die Druckmessfolien zeigten eine inhomogene Druckverteilung innerhalb des Moduls, ermöglichten jedoch keine direkte Bestimmung der Swelling-Kräfte. Das auf Zellebene entwickelte Modell konnte die Swelling-Kräfte auf Modulebene erfassen, und ein Vergleich mit einer eingebauten Kraftmessdose bestätigte die Validität des Modells. Insgesamt konnte die Swelling-Kraft sowohl zerstörungsfrei als auch im Betrieb auf verschiedenen Ebenen analysiert werden. Durch präzise mechanische und elektrochemische Untersuchun-gen auf Zellebene gelang es, eine belastbare Vorhersage der Swelling-Effekte auf Modulebene zu ermöglichen.