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Wie fit ist die Batterie meines E-Autos?

Referenzmessplatz für Li-Ionen-Batteriezellen

PTB-News 3.2017
05.09.2017
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Elektromobilität

Für die Praxistauglichkeit von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen werden Messverfahren benötigt, die schnell und zuverlässig Auskunft darüber geben, ob und wie weit sich die maximale Ladekapazität einer Li-Ionen-Batterie bereits verringert hat. Dies wird als Gesundheitszustand bezeichnet. Hierfür hat die PTB einen Referenzmessplatz aufgebaut, der die elektrochemische Impedanzspektroskopie nutzt, sowie ein Modell entwickelt, um die Alterung zu simulieren.

Referenzmessplatz für den Gesundheitszustand von Li-Ionen-Batteriezellen für E-Fahrzeuge. Aufgrund der großen elektrochemisch gespeicherten Energiemenge müssen die Alterung und die Impedanzmessungen in klimatisierten Sicherheitsschränken durchgeführt werden.

Eine vielversprechende Messmethode, um den Gesundheitszustand einer Li- Ionen-Batterie schnell zu messen, ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Ändern sich die elektrochemischen Prozesse in einer Batteriezelle aufgrund von Alterung, dann ändern sich auch die bei verschiedenen Frequenzen gemessenen Impedanzen (Wechselstromwiderstände), das sogenannte Impedanzspektrum. So lassen sich diese Änderungen als Maß für den Gesundheitszustand einer Batteriezelle verwenden.

Die über die Impedanzspektroskopie bislang rein empirisch quantifizierte Alterung wird nun zusätzlich auch mit einem Batteriemodell simuliert. Es basiert auf Ladungs- und Massentransportgleichungen, die die Prozesse in der Batteriezelle mathematisch beschreiben. Werden zusätzlich Gleichungen für die Beschreibung der Alterungsprozesse implementiert, kann auch der Degradationsprozess simuliert werden. Die Modellierung bietet, anders als das Experiment, die Möglichkeit, alle Parameter, z. B. Diffusionskoeffizienten, Schichtdicken oder Reaktionsraten, unabhängig voneinander zu variieren, um ihren Einfluss auf das Impedanzspektrum zu analysieren.

Die von der PTB zusammen mit dem Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik der Technischen Universität (TU) Braunschweig implementierten Simulationen können mithilfe von Parametervariationen die Veränderung von gemessenen Impedanzspektren während der Alterung beschreiben. Inzwischen wurden erste Modellrechnungen erfolgreich durchgeführt. Das Alterungsmodel wird nun angewendet, um aus den Impedanzspektren gewonnene Parameter identifizieren zu können, die sich mit dem Gesundheitszustand einer Batteriezelle verändern.

Nach der Validierung des Messplatzes durch weitere Lebensdauertests wird er in das Dienstleistungsangebot der PTB aufgenommen werden. Mit ihm werden der Industrie typenspezifische Referenzspektren für die Messung des Gesundheitszustands von Li-Ionen- Batteriezellen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie zur Verfügung gestellt.

Ansprechpartner

Steffen Seitz
Fachbereich 3.4 Physikalische Chemie
Telefon: (0531) 592-3019
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