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Metrologie für elektrochemische Energiespeichersysteme: Bestimmung des Lade- und Gesundheitszustandes von Lithium-Ionen Batterien

20.12.2013

Ein Referenzmessverfahren mit zwei temperaturkontrollierten, elektrochemischen Impedanzmessplätzen wurde realisiert. Der Messplatz dient dazu, den Lade- (state of charge, SoC) und Gesundheitszustand (state of health, SoH) von Lithium-Ionen Batteriezellen anhand der gemessenen elektrochemischen Impedanzspektren zu beurteilen.

Die Forschung zu den metrologischen Grundlagen von elektrochemischen Energiespeichern ist ein neues Arbeitsgebiet in der PTB. Für Elektrofahrzeuge fehlen Verfahren für die Qualitätssicherung, um vom Batterie- bzw. Fahrzeug-Hersteller garantierte Lebensdauer-Angaben für Lithium-Ionen Batterien zu verifizieren. Die elektrochemische Impedanzspektrometrie (EIS) ist eine Messmethode, die Aussagen zum Gesundheits- (state of health, SoH) und Ladezustand (state of charge, SoC) und damit zum Alterungsverhalten einer Lithium-Ionen Batterie schnell und zerstörungsfrei liefert. Allerdings fehlt bisher für dieses Messverfahren eine metrologische Referenz.

Gegenwärtig sind die Ergebnisse der EIS Messungen, die mit unterschiedlichen Messgeräten erhalten werden, für die Qualitätssicherung wenig geeignet, da es keine Aussagen zur Unsicherheit der gemessenen Parameter gibt und die Ergebnisse geräteabhängig sein können. Über die Zuordnung der aus den Impedanzspektren ermittelten Parameter zu den chemischen Vorgängen in der Batterie während ihres Einsatzes und bei der Lagerung bei unterschiedlichen Umweltbedingungen fehlen gesicherte Angaben.

Die zwei jetzt realisierten temperaturkontrollierten EIS Referenzmessplätze ermöglichen es, für den SOC und SOH wesentliche Parameter aus den Impedanzspektren zu identifizieren und rückgeführt auf das SI zu messen.

Mit Hilfe einer zusammen mit der AG 2.13 „Wechselstrom-Gleichstrom Transfer, Impedanz“ entwickelten Referenzimpedanz erfolgte die geräteunabhängige Charakterisierung der Messplätze. Der Aufbau weiterer dynamischer Referenzimpedanzen mit variierenden Widerständen und Kapazitäten, die den relevanten mHz bis kHz Messbereich abdecken, ist geplant. Damit ist es erstmals möglich, elektrochemische Impedanzspektrometer in diesem Messbereich zu kalibrieren.

Die Ergebnisse der EIS Referenzmessungen an Lithium-Ionen Batteriezellen sind auf die Qualitätssicherung der Messergebnisse an anderen Energiespeicher und -wandlern, wie z. B. Brennstoffzellen übertragbar, die auch mit der EIS charakterisiert werden können. Es ist geplant, das Referenzmessverfahren zukünftig für die Untersuchung von Batteriezellen und -modulen bis 150 Ah Kapazität auszubauen.

Damit sind in Zukunft zuverlässige Aussagen zum Alterungsverhalten von Lithium-Ionen Batterien unter unterschiedlichen Betriebs- und Umweltbedingungen im für die Anwender relevanten Bereichen möglich.

(P. Spitzer, AG 3.13, Opens window for sending emailpetra.spitzer(at)ptb.de)