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Empirisches Verfahren zur Quantifizierung des Gesundheitszustands von Hochenergie-Li-Ionenbatteriezellen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie entwickelt

31.10.2015

Die schnelle und zuverlässige Messung des Gesundheitszustands von Li-Ionenbatterien spielt bei deren Einsatz in Elektrofahrzeugen eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zum Treibstofftank verkleinert sich nämlich die Kapazität der Akkus mit der Zeit. Bei Smartphones oder Laptops kann man noch einigermaßen damit leben, nur so ungefähr zu wissen wie lange eine Akkuladung mit der Zeit noch hält. Als Autofahrer hingegen will man sich schon ziemlich sicher sein, wie weit man mit einer vollen Akkuladung noch fahren kann. Eine vielversprechende Messmethode um den Gesundheitszustand schnell zu messen, ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Der dabei gemessene Wechselstromwiderstand, die sogenannte Impedanz, hängt von den elektrochemischen Prozessen in der Batteriezelle ab. Ändern sich diese aufgrund der Alterung der Batterie, dann ändern sich auch die bei verschiedenen Frequenzen gemessenen Impedanzen, das sogenannte Impedanzspektrum. Somit lassen sich diese Änderungen im Prinzip als Maß für den Gesundheitszustand einer Batteriezelle verwenden.

Bislang litt die Methode jedoch darunter, dass die Ergebnisse nicht eindeutig waren. Veränderungen im Impedanzspektrum konnten den elektrochemischen Prozessen nicht eindeutig zugeordnet werden und unterschiedliche Betriebsbedingungen führten scheinbar zu unterschiedlichen Änderungen im Spektrum für ein und denselben Batterietyp. An der PTB durchgeführte Alterungsmessungen, eine akribische Impedanzanalyse und die Anwendung geeigneter statistischer Modelle zur Datenanalyse deuten darauf hin, dass bei einer sorgfältigen Definition der Messbedingungen durchaus eine für den untersuchten Batterietyp spezifische, empirische Alterungskurve gewonnen werden kann. Die Methode wird nun anhand weiterer Messreihen unter geänderten Betriebsbedingungen validiert. Die Messergebnisse werden dabei von Modellrechnungen flankiert, die Impedanzen auf Basis von fundamentalen Ladungs- und Massentransportgleichungen berechnen. Mittelfristig strebt die PTB einen Referenzmessplatz an, mit dem die spezifische Alterungskurve eines Batterietyps gemessen wird. Diese soll als Referenz für entsprechende Messungen in der Qualitätssicherung, in Werkstätten, beim TÜV, aber auch in der Forschung und Weiterentwicklung von Batterien Anwendung finden.