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Referenzmessplatz für den Gesundheitszustand von Li-Ionen Batteriezellen

Die Besitzer von Elektroautos interessiert im Hinblick auf die Batterie ihres Fahrzeugs im Wesentlichen zwei Dinge: Lade- und Gesundheitszustand. D.h. erstens, wie weit können sie noch fahren, bevor sie wieder laden müssen und zweitens, wie groß ist die verbliebene Kapazität der Batterie, die, anders als beim Treibstofftank, mit der Zeit geringer wird. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie ist eine vielversprechende Messmethode, um den Lade- und Gesundheitszustand von Li-Ionenbatteriezellen zu messen. Mit ihr wird der Wechselstromwiderstand, die Impedanz, bei verschiedenen Frequenzen gemessen. Sie könnte in der Qualitätssicherung der Automobilindustrie, in Werkstätten und auch direkt im Fahrzeug eingesetzt werden. Auch in der Batterieforschung hat sie großes Potential, um Verbesserungen im Batteriedesign oder im Produktionsprozess beurteilen zu können. Ihr wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Methoden liegt darin, dass sie verhältnismäßig einfach zu handhaben, rein elektrisch, kostengünstig und schnell ist. Vor allem aber erlaubt sie auch Einblick in die Prozesse, die im Inneren einer Batteriezelle ablaufen und wie sich diese verändern, ohne dabei die Batteriezelle zerstören zu müssen.

Leider wird der Nutzen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie gerade im Zusammenhang mit Messungen von Batteriezellen aber auch oft in Frage gestellt. Gerade weil sie sehr sensitiv auf Änderungen der Messbedingungen und den Zustand der einer Batteriezelle ist, wie z.B. der Temperatur oder dem Alterungszustand der Batterie, wird sie meist als mehrdeutig und schlecht wiederholbar eingestuft. Deswegen hat sie sich, obwohl sie paradoxerweise bereits vielfach in der Praxis eingesetzt wird, bislang nicht wirklich als Messmethode für den Zustand von Li-Ionen-Hochenergiezellen etabliert.

Wir haben mehrere elektrochemische Impedanzmessplätze aufgebaut und konnten in umfangreichen Messreihen zeigen, dass bei Einhaltung genau definierter Messbedingungen die Impedanzen von Li-Ionen Hochenergiezellen derzeit mit einer Messunsicherheit von 1-3 % gemessenen werden können. Derzeit wird auch der zweite Kritikpunkt, die angebliche Mehrdeutigkeit der Ergebnisse, von uns untersucht. Anhand von zwei Lebensdauertestreihen mit mehreren Batteriezellen konnte gezeigt werden, dass auch bei einem Betrieb mit unterschiedlichen Strömen und Temperaturen der Gesundheitszustand eindeutig aus den gemessenen Impedanzen bestimmt werden kann.

Um die Zuverlässigkeit der Messungen sicherzustellen, beschäftigen wir uns mit zwei weiteren Projekten. Zum einen müssen die gemessenen Impedanzen zuverlässig auf das Internationale Einheitensystem zurückgeführt werden. Dazu wird derzeit ein Referenzspektrometer entwickelt, das auf den Frequenz-und Impedanzbereich von Li-Ionen-Hochenergiezellen optimiert ist. Damit sollen Referenzimpedanzen kalibriert werden, die später als Kalibratoren für Elektrochemische Impedanzspektrometer dienen können. Zum anderen basiert die Auswertung der Lebensdauertests bislang auf einer rein empirischen Methodik. Um die Ergebnisse auch durch elektrochemische Prozesse zu untermauern, wird das Alterungsverhalten der Impedanzspektren durch Modelrechnungen simuliert.


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