Untersuchung der Ausdehnung von Batteriezellen mit Dilatometrie

Die Messung des Ausdehnungsverhaltens von Batteriezellen ist ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung neuer Zelltechnologien.

Das Wissen über die maximale Ausdehnung einer Zelle sowie deren Abhängigkeit vom Ladezustand und der Alterung bildet eine wesentliche Grundlage für die sichere und effiziente Integration in Module und Batteriesysteme.

Mit den von VIRTUAL VEHICLE entwickelten und patentierten Messaufbauten können diese Größen für Batteriezellen im Pouch-Format bereits in einem frühen Entwicklungsstadium präzise und zuverlässig gemessen werden. Zur Messung der Ausdehnung werden kontaktfreie kapazitive Sensoren verwendet mit einer Auflösung im sub-µm Bereich. Somit können auch Details innerhalb einzelner Zyklen, Teilzyklen und Strompulse untersucht werden.

Auf die Zellen kann ein definierter Druck aufgebracht werden, der über Kraftmessdosen mitgemessen wird und zusätzlich analysiert werden kann. Die Aufbauten befinden sich in einer Klimakammer – d.h. auch die Umgebungstemperatur wird eingestellt. Zusätzlich kann auch die Temperatur an der Zelloberfläche mittels Thermocouples mitgemessen werden.

Die Zellen werden an einen Zyklisierer angeschlossen und es können beliebige Strom- oder Spannungsprofile vorgegeben werden wie bspw. Quasi-OCV, GITT, C-Raten oder Pulstests, Alterungstests oder Messungen zur Bestimmung der Spannungshysterese. Die Messmethode ist nicht auf eine Zellchemie beschränkt, sondern kann für unterschiedliche Anoden- und Kathodenformulierungen angewendet werden. Neben den etablierten Lithium-Ionen Systemen können auch alternative Systeme, wie bspw. Natrium-Ionen Zellen untersucht werden.

Die Messungen stellen eine sinnvolle Ergänzung zur elektrischen Charakterisierung neuer Zellchemien dar und liefern wichtige Informationen für die weitere Entwicklung.

Hauptmerkmale

In der folgenden Übersicht sind die Kernpunkte des Messystems zusammengefasst:

Insgesamt stehen aktuell 6 Aufbauten für Messungen zur Verfügung.

Funktionalität – Einrichtung

Die folgende Skizze zeigt den Aufbau des Messsystems und die Funktionen der einzelnen Komponenten.

Funktionen

Messung von Dickenänderung und Kraft in eine Messaufbau
Zelle unter definiertem Anpressdruck
Kontrollierte und überwachte Temperatur
Hochauflösende kapazitive Wegsensoren
Hohe mechanische Stabilität des Messaufbaus
Beliebige elektrische Stromprofile anwendbar

Funktionalität – Zellhalter

Die beiden verfügbaren Zellhaltervarianten bieten flexible Möglichkeiten zur Druckbeaufschlagung, Kontaktierung und Temperaturmessung von Zellen.

Version 1

Positionierbohrungen für die Zellausrichtung
Offener Kontaktierungsbereich
Temperaturmessung auf der Unterseite

Version 2

Keine Positionierbohrungen
Kontaktierung über Kontaktstifte
Temperaturmessung auf der Oberseite

Beispiel: Analyse eines Vollzyklus

Die Dilatometriemessung ermöglicht die gleichzeitige Analyse von Zellspannung, Zellausdehnung und Kraft und liefert damit detaillierte Einblicke in das Verhalten von Batteriezellen während des Lade– und Entladevorgangs.

Beispiel: Analyse einer Hystersemessung

Spezielle Messprofile ermöglichen die detaillierte Analyse von Spannungs– und Ausdehnungshysterese in Batteriezellen.

Gewisse SoC Punkte der Zelle (bspw. alle 10%) werden einmal durch Ladung und einmal durch Entladung erreicht. Die Differenz zwischen Spannung und Zelldicke an diesen Punkten entspricht der Hysterese.

Anhand dieser Messungen lässt sich die Hysterese bei der Zellspannung und der Dickenänderung für verschiedene Ströme, SoC-Änderungen pro Stufe, angewandten Druck, Temperatur usw. analysieren.

Schematische Darstellung eines Entladezyklus bei der Hysteresemessung – gleichfarbige Kreise bedeuten Punkte, an denen die Zelle denselben SoC aufweist.

Zellspannung und Dickenänderung des Entladezyklus mit dem SoC als x-Achse. Bei der Zellspannung sieht man die sog. Hystereseschleifen, die charakteristisch für diese Zellchemie mit einer siliziumhaltigen Anode sind.

C-Raten Tests und Erkennung von Lithium-Ablagerungen

Durch C–Raten Tests lassen sich die Auswirkungen der Stromstärke bei untersch. Temperatur und Druck auf das Verhalten von Batteriezellen untersuchen sowie kritische Effekte wie die Ablagerung von metallischem Lithium an der Oberfläche der Anode (sog. Lithium-Plating) identifizieren.

Abgelagertes Lithium führt im Vergleich zu in die Anode eingelagertem Lithium zu einer stärkeren Ausdehnung.

Es lässt sich zwischen reversibler und irreversibler Ablagerung unterscheiden, wie in der Grafik in der mittleren Reihe, insbesondere ganz links und in der Mitte (2C Stromrate bei 5 °C bzw. 25 °C), zu erkennen ist.

Mechanische Finite-Elemente-Simulationen

Die Kombination aus experimenteller Charakterisierung und Finite–Elemente Simulation ermöglicht die Untersuchung von Spannungen, Verformungen und Schichtveränderungen im Zellstapel.

Die Experimente lassen sich mit Finite-Elemente-Simulationen der Zelle kombinieren, um die Veränderungen der Schichtstruktur und der mechanischen Spannungen im Zellstapel als Reaktion auf folgende Einflüsse zu untersuchen:

Druckbeaufschlagung / Kompression

Ausdehnung / Kontraktion der Anode während des Lade- bzw. Entladevorgangs

Ansatz: Meso-mechanisch (Berücksichtigung der einzelnen Schichten der Zellkomponenten im Zellstapel).

Voraussetzungen: Kenntnisse über die Schichtstruktur und die mechanischen Eigenschaften der Zellkomponenten (die durch Zug- und Druckversuche ermittelt werden können).

Referenzen

Kargl, P., Drews, V., Daubinger, P., Schweighofer, O., Marinaro, M., Giffin, G.A., Wohlfahrt-Mehrens, M. and Thaler, A., 2022. Investigation of voltage and expansion hysteresis of Si-alloy-C/NMC622 pouch cells using dilatometry. Journal of Power Sources, 548, p.232042.

Kargl, P., Rasch, B., Pichler, F., Stangl, C., Marinaro, M., Wohlfahrt-Mehrens, M. and Thaler, A., 2025. Dilatometry study on current rate, temperature, and pressure influence on the expansion behaviour of Si-alloy/graphite-NMC622 pouch cells. Journal of Power Sources, 654, p.237752.

Kargl, P., Investigation of the expansion behaviour of silicon-based lithium-ion battery cells with a combined approach of dilatometry and finite-element simulations, Dissertation, Institut für Materialphysik, TU Graz, DOI: https://doi.org/10.3217/04wx2-kx578