Untersuchung von Schwellkraft- und mechanischen Spannungsverteilungen in Lithium-Ionen-Pouchzellen unter variierenden Schnellladebedingungen

Vor dem Hintergrund der Dekarbonisierung des Verkehrssektors und der zunehmenden Verbreitung batterieelektrischer Fahrzeuge zeigt sich die Bedeutung von Lithium-Ionen-Zellen (LIZ) als Schlüsseltechnologie für die Energie- und Antriebswende. Eine Herausforderung ist der negative Einfluss erhöhter Laderaten auf die Lebensdauer der Zellen. Durch moderne Schnellladeverfahren soll diesem Einfluss entgegengewirkt werden. Weiterhin beeinflussen mechanische Belastungen in Form von Schwellkräften und mechanischen Spannungen das Zellverhalten.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Schnellladeverfahren auf Schwellkräfte und mechanische Spannungsverteilungen in eingespannten Lithium-Ionen-Pouch-Zellen. Hierfür wird ein Versuchsstand konzipiert, der eine definierte Verspannung der LIZ ermöglicht und die Erfassung der Schwellkräfte sowie der mechanischen Druckverteilung erlaubt. Aufbauend auf einer umfassenden Literaturrecherche zu Volumenänderungen und Schnellladeprotokollen werden Konstantstrom-Konstantspannung-, Multistage-, Boost- und Puls-Ladeverfahren in strom- und spannungsgeführten Varianten sowie bei unterschiedlichen C-Raten untersucht.
Die Ergebnisse legen eine zellabhängigkeit der Druckverteilung nahe. Initial vorhandene Druckverteilungsmuster werden weiter fortgesetzt. Außerdem kann ein Einfluss der Zellränder beobachtet werden. Bei hohen Ladespannungen tritt eine teilweise irreversible Druckausbreitung, ausgehend von den Zellrändern auf, die auf lokal wirkende Alterungsmechanismen zurückgeführt wird. Die Heterogenität der Druckverteilung steigt mit zunehmenden Ladezustand und weist auch eine Abhängigkeit von der Ladestromstärke auf. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur Bewertung von Schnellladeverfahren hinsichtlich ihrer mechanischen Wirkung und bilden eine Grundlage für weiterführende Untersuchungen.

Against the backdrop of decarbonization in the transportation sector and the increasing prevalence of battery electric vehicles, lithium-ion cells (LICs) are proving to be a key technology for the energy and mobility transition. One challenge is the negative impact of increased charging rates on cell life. Modern fast-charging processes are designed to counteract this effect. Furthermore, mechanical stresses in the form of swelling forces and mechanical stresses influence cell behavior.
The aim of this work is to investigate the influence of different fast charging methods on swelling forces and mechanical stress distributions in constrained lithium-ion pouch cells. For this purpose, a test rig is designed that enables a defined pretensioning of the LIC and allows the measurement of swelling forces and mechanical pressure distribution. Based on a comprehensive literature review on volume changes and fast charging protocols, constant current-constant voltage, multistage, boost, and pulse charging methods are investigated in current- and voltage-controlled variants and at different C-rates.
The results suggest a dependence of the pressure distribution on the cell. Initially existing pressure distribution patterns are continued. In addition, an influence of the cell edges can be observed. At high charging voltages, a partially irreversible pressure propagation occurs, starting from the cell edges, which is attributed to locally acting aging mechanisms. The heterogeneity of the pressure distribution increases with increasing state of charge and also shows a dependence on the charging current. The findings contribute to the evaluation of fast charging processes in terms of their mechanical effects and form a basis for further investigations.