Über die Nutzungsdauer hinweg verringert sich die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen Zellen. Diese Degradation wird durch unterschiedliche Alterungsprozesse verursacht und kann in einem abrupten Einbrechen des sogenannten Gesundheitszustands einer Batteriezelle enden und eine gezielte Second-Life Nutzung erschweren. Das Ziel dieser Arbeit ist eine modellbasierte und experimentelle Untersuchung der Alterung einschließlich der Möglichkeit zur Beeinflussung des Alterungsverhaltens über die Ladestrategie und das Anodendesign. Im Modell kann sowohl durch die Ladestrategien als auch die Verwendung von Porositätsprofilen in der Anode mit höherer Porosität am Separator das Alterungsverhalten verbessert und das Einbrechen der Kapazität bei hoher Zyklenzahl deutlich abgeschwächt werden, wobei das Anodendesign im Vergleich einen größeren Effekt aufweist. Auch in Laborversuchen weisen Zellen mit einem zweistufigen Anodenaufbau in verschiedenen Zellformaten (Knopf- und Pouchzellen, Halb- und Vollzellen) eine bessere Zyklenstabilität gegenüber einem herkömmlichen Aufbau auf.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Der Einsatz von Batteriesystemen in Fahrzeugen für Industrieanwendungen und zum Transport von Personen sowie Gütern, welcher ein hohes Maß an Leistungs- und Energiedichte voraussetzt, war zentraler Untersuchungsgegenstand im Projekt Modulare Hochleistungsbatteriesysteme in Verbindung mit sicherer Schnelladetechnik (MoBat). Den Anstoß zum im Bericht dargestellten Projekt gab unter anderem das im Juni 2016 beendete Projekt Batterieelektrische Schwerlastfahrzeuge im „intelligenten“ Containerterminalbetrieb, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde. Ziel dieses Projektes war es, ein bisher mit Bleibatterien betriebenes Schwerlastfahrzeug mit Lithium-Batterien zu versehen.
Um die Nutzung von Lithium-Batterien in den genannten Bereichen zu ermöglichen, müssen ökonomisch vertretbare Konzepte in Konkurrenz zu bestehenden Lösungen betrachtet werden. Dazu wurde in MoBat ein alternatives Konzept im Bereich der Personenbeförderung betriebswirtschaftlich untersucht. Die Idee einer alternativen Lösung ergibt sich aus der Überlegung die Fahrzeuge während kurzer Stillstandzeiten im Betrieb mit einem sehr hohen Strom zu laden. Das Vorgehen wird im Allgemeinen als Opportunity Charging bezeichnet. Demgegenüber steht eine klassische Depot-Ladung (auch Overnight Charging) bei der die entsprechenden Fahrzeuge nach dem Betrieb über eine längere Dauer geladen werden.
Die technischen Voraussetzungen, die zur Umsetzung solcher Konzepte betrachtet werden müssen, stellten einen zentralen Gegenstand der Untersuchungen dar. Dazu zählt beispielsweise die Schnellladung von Lithium-Batterien sowie die dafür benötigten technischen Systeme und Voraussetzungen. Für die Realisierung eines sicheren Betriebes wurden die Ladetechnik, Sensorik und die Implementierung in ein Gesamtsystem im Projekt untersucht. Beteiligt waren in dem vom BMWi geförderten Projekt die Verbundpartner Forschungszentrum für Energiespeichertechnologien der Technischen Universität Clausthal, Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, Schunk Transit Systems GmbH, Stöbich technology GmbH, Wolfsburg AG und AKASOL AG.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein vielversprechender Energiespeicher für die bekanntermaßen dringend notwendige Energiewende. Sie zeichnet sich durch ihre hohe Langzeitstabilität und geringe Degradation aus, wodurch sie sich sehr gut für stationäre Anwendungen zur Zwischenspeicherung von Sonnen- und Windenergie eignet. Leistung und Speicherkapazität der Batterie sind getrennt skalierbar. Der Elektrolyt, in dem die elektrische Energie chemisch gespeichert wird, befindet sich in externen Tanks und wird durch die Zelle gepumpt. Zur Auf- bzw. Entladung der Batterie finden dann Reaktionen der aktiven Spezies, der Vanadium-Ionen, an porösen Kohlenstoffelektroden statt. Für weitere Optimierungen der Technologie sind Kenntnisse der detaillierten Prozesse dieser Reaktionen an den Elektroden notwendig. Die Untersuchung dieser Reaktionen erweist sich jedoch als sehr komplex, da die porösen Elektroden eine korrekte Messung erschweren. Die relevanten kinetischen Parameter werden daher experimentell an Kohlenstoffeinzelfaserelektroden gemessen. Über ein Impedanzmodell der porösen Elektrode können die ermittelten Parameter auf die Gesamtelektrode übertragen werden und das Gesamtoptimierungspotential der Elektroden bewertet werden.
Aktualisiert: 2023-01-12
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Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) als Strom- und Wärmeproduzent der Zukunft stellt eine wichtige Schlüsseltechnologie für eine klimafreundliche Energieversorgung dar. Vorrangige Entwicklungsziele sind die Verbesserung der Lebensdauer und die Verringerung der Kosten der SOFC-Komponenten. In dieser Arbeit werden mikrostrukturelle Veränderungen, die während der Zellherstellung und im Betrieb (Alterungsverlauf) auftreten, durch den Einsatz mehrskaliger Untersuchungsmethoden identifiziert. The solid oxide fuel cell (SOFC) as electricity and heat producer of the future represents a key technology in the context of a climate-friendly energy supply. Research focuses on the improvement of the lifetime and cost reduction of the SOFC components. In this work, microstructural changes that occur during cell production and operation (aging process) are identified by multiscale examination methods.
Aktualisiert: 2022-03-17
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Die Charakterisierung des Elektrodenmaterials gealterter Lithium-Ionen (Li-Ionen) Zellen in Experimentalzellen ist eine weit verbreitete Methode, um Alterungsursachen von Li-Ionen Zellen zu detektieren. Bisher gibt es jedoch kein standardisiertes Verfahren zur Extraktion und zum Aufbau des Elektrodenmaterials in Experimentalzellen. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Präparationsverfahren lassen sich Experimentalzellen vom Typ PAT-Cell (Knopfzellen) mit einer sehr hohen Reproduzierbarkeit aufbauen. Die Streuung der aufgebauten Knopfzellen liegt im Bereich der Streuung von industriell gefertigten Li-Ionen Zellen. Dadurch lässt sich das zyklische Alterungsverhalten des Originalsystems auf Knopfzellebene transformieren: Die dominierenden Alterungsmechanismen der Li-Ionen Zellen können im zyklischen Alterungsverhalten auf Experimentalzellebene qualitativ abgebildet werden. Mit dem beschriebenen Präparationsverfahren lassen sich Knopfzellen reproduzierbar aufbauen, was die daraus gewonnenen Messergebnisse zwischen einzelnen Laboren vergleichbarer macht. Die Alterung des Elektrodenmaterials in Knopfzellen bietet zudem die Chance, geometrieabhängige Alterungsmechanismen zu analysieren. Darüber hinaus bietet eine Alterungsuntersuchung des extrahierten Zellmaterials in Knopfzellen eine um Größenordnungen geringere Leistungsanforderung an das Messsystem.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Mit welchen Ansätzen kann der Korrosionsstart und -fortschritt an Kanten und in Flanschen über einen längeren Zeitraum simuliert werden? Zur Beantwortung der Forschungsfrage werden anhand der genannten konstruktiven Schwachstellen geometrische Charakterisierungen, messtechnisch ermittelte Kennwerte, entwickelte Simulationsmodelle, Parameterstudien und experimentelle Validierungen präsentiert. Beide Simulationsansätze ermöglichen die Simulation des jeweiligen Anwendungsfalls, ohne dabei die Struktur des vorliegenden Materialmodells zu verlassen. Dabei werden durch geeignete analytische Funktionen die Quantitäten geometrischer Eigenschaften in einfache Ersatzgeometrien implementiert. Diese Vorteile führen zusammen mit der hohen Effizienz der beiden Modelle und der guten Übereinstimmung zu versuchstechnischen Untersuchungen zu einer praktikablen Lösung für die industrielle Anwendung.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Lithium-Ionen Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte in vielen Anwendungen weit verbreitet. Ein wichtiger Faktor ist hierbei aber auch die Lebensdauer. So kommt es während des Betriebs sowohl zu einem Kapazitätsverlust, als auch zu einem Anstieg des Innenwiderstandes. Ziel der Arbeit ist die Identifikation und Quantifizierung der Degradationsanteile bei kalendarischer und zyklischer Belastung und die Auswirkung der Elektrodenmikrostruktur auf das Alterungsverhalten. Lithium-ion batteries are widely used in many applications due to their high energy and power density. However, an important factor here is also the lifetime. During operation there is a loss of capacity as well as an increase of internal resistance. The aim of this work is the identification and quantification of the degradation processes under calendar and cyclical aging and the effect of the electrode microstructure on the ageing behaviour.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie ist ein Energiespeichersystem, das eine wichtige Komponente im Rahmen der Energiewende sein kann. Durch ihren Aufbau weist diese Batterie Vorteile als stationärer Speicher gegenüber anderen Speichertechnologien auf. So sind Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skalierbar, und im Standby-Betrieb findet lediglich eine geringe Selbstentladung statt. Im Betrieb kommt es jedoch durch eine Kreuzkontamination von Vanadium-Ionen durch die Membran zu Verlusten. Dieser als Crossover bezeichnete Prozess führt zur kontinuierlichen Abnahme der Batteriekapazität. Als Transportmechanismen wirken Diffusion, Migration und Konvektion. Um den Crossover-Prozess zu beschreiben, werden im Rahmen dieser Arbeit die Membranparameter elektrischer Widerstand und Vanadium-Diffusionskoeffizienten experimentell bestimmt und zur Entwicklung eines mathematischen Modells verwendet. Messungen am Prüfstand dienen hierbei der Modellvalidierung. Um der Abnahme der Kapazität entgegenzuwirken, werden experimentell und mathematisch verschiedene Kapazitätsausgleichsstrategien entwickelt und analysiert. Es hat sich hierbei gezeigt, dass mit unterschiedlichen Methoden die Kapazitätsabnahme der Batterie verringert und dadurch ein effizienterer Betrieb ermöglicht werden kann.
Aktualisiert: 2021-09-02
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Essentiell für die Kommerzialisierung der Festoxid-Brennstoffzelle ist eine Leistungsoptimierung der Brenngaselektrode, die aus zwei porösen Schichten mit unterschiedlichen Mikrostruktur- und Materialeigenschaften aufgebaut ist. In dieser Arbeit wird ein Ersatzschaltbild-basiertes Modell zur Prädiktion des dynamischen Verhaltens mehrschichtiger Elektroden vorgestellt, das alle Verlustprozesse in den Elektrodenschichten abbildet und den Einfluss des Elektrodendesigns berücksichtigt. Towards commercialization of the solid oxide fuel cell a performance optimization of the fuel electrode is essential. The fuel electrode is composed of two porous layers with different microstructure and material properties. In this work, an equivalent circuit based model for the prediction of the dynamic behavior of multi-layered electrodes is presented. The model covers all loss processes in the electrode layers and considers the impact of the electrode design.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Höhere Effizienz erzielen SOFC-Brennstoffzellen, je geringer die internen elektrochemischen Verluste sind. Diese Arbeit untersucht isolierende Zweitphasen an der Kathoden/Elektrolyt-Grenzfläche die während der Herstellung entstehen. Vollzellen und Modellsystemen werden elektrochemisch charakterisiert, elektronenmikroskopisch analysiert und tomographisch rekonstruiert. Ein FEM-Modell deckt leistungsbegrenzende Faktoren auf. Als Ergebnis wird eine optimierte Herstellungsroutine vorgeschlagen. Solid oxide fuel cells (SOFC) achieve high efficiencies, the lower the internal electrochemical losses are. This work investigates insulating secondary phases at the cathode/electrolyte interface that are formed during fabrication. Full cells and model systems are electrochemically characterized, analyzed by electron microscopy and reconstructed by tomography. A FEM model reveals performance limiting factors. As a result, an optimized production routine is proposed.
Aktualisiert: 2021-02-11
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