@article{KupperWeissharRissmannetal.,
  author    = {Kupper, Christian and Weißhar, Bj{\"o}rn and Rißmann, Sascha and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {End-of-Life Prediction of a Lithium-Ion Battery Cell Based on Mechanistic Aging Models of the Graphite Electrode},
  series = {Journal of The Electrochemical Society},
  volume    = {165},
  number    = {14},
  publisher = {The Electrochemical Society},
  address   = {Pennington, NJ},
  issn      = {0013-4651},
  doi       = {10.1149/2.0941814jes},
  pages     = {A3468 -- A3480},
  abstract  = {We present an electrochemical model of a lithium iron phosphate/graphite (LFP/C6) cell that includes combined aging mechanisms: (i) Electrochemical formation of the solid electrolyte interphase (SEI) at the anode, leading to loss of lithium inventory, (ii) breaking of the SEI due to volume changes of the graphite particles, causing accelerated SEI growth, and (iii) loss of active material due to of loss percolation of the liquid electrolyte resulting from electrode dry-out. The latter requires the introduction of an activity-saturation relationship. A time-upscaling methodology is developed that allows to simulate large time spans (thousands of operating hours). The combined modeling and simulation framework is able to predict calendaric and cyclic aging up to the end of life of the battery cells. The aging parameters are adjusted to match literature calendaric and cyclic aging experiments, resulting in quantitative agreement of simulated nonlinear capacity loss with experimental data. The model predicts and provides an interpretation for the dependence of capacity loss on temperature, cycling depth, and average SOC. The introduction of a percolation threshold in the activity-saturation relationship allows to capture the strong nonlinearity of aging toward end of life ("sudden death").},
  language  = {en}
}
@article{KupperSpitznagelDoeringetal.,
  author    = {Kupper, Christian and Spitznagel, Svenja and D{\"o}ring, Harry and Danzer, Michael A. and Gutierrez, C{\´e}sar and Kvasha, Andriy and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {Combined modeling and experimental study of the high-temperature behavior of a lithium-ion cell: Differential scanning calorimetry, accelerating rate calorimetry and external short circuit},
  series = {Electrochimica Acta},
  volume    = {306},
  number    = {306},
  publisher = {Elsevier Limited},
  organization    = {International Society of Electrochemistry},
  issn      = {0013-4686},
  doi       = {10.1016/j.electacta.2019.03.079},
  pages     = {209 -- 219},
  abstract  = {In this article the high-temperature behavior of a cylindrical lithium iron phosphate/graphite lithium-ion cell is investigated numerically and experimentally by means of differential scanning calorimetry (DSC), accelerating rate calorimetry (ARC), and external short circuit test (ESC). For the simulations a multi-physics multi-scale (1D+1D+1D) model is used. Assuming a two-step electro-/thermochemical SEI formation mechanism, the model is able to qualitatively reproduce experimental data at temperatures up to approx. 200 °C. Model assumptions and parameters could be evaluated via comparison to experimental results, where the three types of experiments (DSC, ARC, ESC) show complementary sensitivities towards model parameters. The results underline that elevated-temperature experiments can be used to identify parameters of the multi-physics model, which then can be used to understand and interpret high-temperature behavior. The resulting model is able to describe nominal charge/discharge operation behavior, long-term calendaric aging behavior, and short-term high-temperature behavior during extreme events, demonstrating the descriptive and predictive capabilities of physicochemical models.},
  language  = {en}
}
@inproceedings{KupperSpitznagelDoeringetal.,
  author    = {Kupper, Christian and Spitznagel, Svenja and D{\"o}ring, Harry and Danzer, Michael A. and Gutierrez, C{\´e}sar and Kvasha, Andriy and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {High-temperature behavior of a lithium-ion LFP/graphite cell: Simulative and experimental in-vestigation of DSC, ARC and short circuit},
  series = {15th Symposium on Modeling and Validation of Electrochemical Energy Devices (ModVal 2018, 12-13 April, Aarau, Switzerland) : Book of Abstracts},
  address   = {Villigen PSI},
  doi       = {10.3929/ethz-b-000240521},
  pages     = {123},
  language  = {en}
}
@misc{KupperRissmannBessler,
  author    = {Kupper, Christian and Rißmann, Sascha and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {A Detailed-Electrochemistry Model of an LiFePO4/Graphite Lithium-Ion Cell Capturing Abuse and Aging Phenomena},
  series = {232nd Meeting of the Electrochemical Society, Washington D.C., USA (10/2017), ECS Meeting Abstracts},
  pages     = {378 -- 378},
  language  = {en}
}
@misc{KupperBessler,
  author    = {Kupper, Christian and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {Muli-scale thermos-electrochemical modelling of aging mechanisms in an LFP/graphite lithium-ion cell},
  series = {14th Symposium on Fuel Cell and Battery Modelling and Experimental Validation (ModVal 14), Karlsruhe, Germany (03/2017), Book of Abstracts},
  pages     = {119 -- 119},
  language  = {en}
}
@article{KupperBessler,
  author    = {Kupper, Christian and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {Multi-Scale Thermo-Electrochemical Modeling of Performance and Aging of a LiFePO4/Graphite Lithium-Ion Cell},
  series = {Journal of the Electrochemical Society},
  publisher = {164},
  issn      = {0013-4651},
  pages     = {A304 -- A320},
  language  = {en}
}
@inproceedings{KupperBessler,
  author    = {Kupper, Christian and Bessler, Wolfgang G.},
  title     = {Modelling detailed chemistry in lithium-ion batteries: Insight into performance, ageing and safety},
  series = {6th European Conference on Computational Mechanics (ECCM 6) - 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD 7), 11-15 June 2018, Glasgow, UK},
  publisher = {ECCM - ECFD 2018},
  address   = {Glasgow},
  pages     = {1},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kupper,
  author    = {Kupper, Christian},
  title     = {Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien f{\"u}r die dezentrale Speicherung regenerativer Energien},
  publisher = {Mensch \& Buch Verlag},
  isbn      = {3967290654},
  pages     = {140},
  abstract  = {Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist seit ihrem kommerziellen Durchbruch zu Beginn der neunziger Jahre zum Standard f{\"u}r die portable Energieversorgung geworden. Zunehmend macht sie auch im mobilen und station{\"a}ren Bereich klassischen Technologien, wie dem Verbrennungsmotor, Konkurrenz. Da in diesen Anwendungsfeldern aber meist gr{\"o}ßere Energiemengen erforderlich und wesentlich l{\"a}ngere Produktlebenszyklen {\"u}blich sind, sind einerseits die Sicherheit und andererseits die Alterung der Batterien von herausragendem Interesse. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung und Modellierung einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle. Dabei wird eine Lithiumeisenphosphat-Kathode mit einer Graphit-Anode kombiniert. Dieser Zelltyp eignet sich besonders f{\"u}r station{\"a}re Anwendungen. Trotz eines bisher vergleichsweise geringen Marktanteils lassen sich, wie im Laufe dieser Arbeit ersichtlich wird, die Ergebnisse gut auf den Großteil der kommerziell verwendeten Lithium-Ionen-Zellen abstrahieren. Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe mathematischer Modellierung dieser Lithium-Ionen-Batterie das Verst{\"a}ndnis {\"u}ber die komplexen Alterungsmechanismen zu vertiefen, um mit diesen Erkenntnissen Verbesserungsvorschl{\"a}ge zum Aufbau und der Betriebsweise der Batterien zu erarbeiten. Eine Batterie ist ein hochkomplexes physikalisches System, in dem sich die r{\"a}umlichen Gradienten der physikalischen Gr{\"o}ßen um viele Gr{\"o}ßenordnungen unterscheiden k{\"o}nnen. Auch bei der zeitlichen Betrachtung laufen wichtige Prozesse wie beispielsweise die Ladung, die Alterung oder das thermische Durchgehen auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ab. Dabei finden in der Zelle gleichzeitig, teilweise in gegenseitiger Abh{\"a}ngigkeit, zahlreiche chemische Reaktionen statt. Zur numerischen Simulation bedarf es also eines Modells, das flexibel mit diesen unterschiedlichen Anforderungen umgeht. Die in dieser Arbeit verwendete hauseigene Software DENIS bildet dieses flexible Ger{\"u}st, welches sich des numerischen L{\"o}sers LIMEX, der elektrochemischen Simulationsumgebung Cantera und der Mathematiksoftware MATLAB bedient. Das Kontinuum-Modell verwendet drei unterschiedliche Skalen entlang der gleichen r{\"a}umlichen Dimension (sog. 1D+1D+1D oder pseudo-3D-Modell). Durch diese drei miteinander gekoppelten Skalen werden die Temperaturverteilung, die elektrochemischen Vorg{\"a}nge und die Diffusion von Lithium in die Aktivmaterialien berechnet. {\"A}hnliche, h{\"a}ufig nach John Newman benannte, Modelle lassen sich in großer Vielfalt in der Literatur finden. Eine wichtige Verbesserung des Modells stellt daher vor allem die Erweiterung um die Nebenreaktionen dar. Dabei ist die Bildung der Solid Electrolyte Interface (SEI) von herausragendem Interesse, jedoch auch deren Zersetzung bei zu hohen Temperaturen, die zum thermischen Durchgehen der Batterie f{\"u}hren kann. Durch die Modellierung der SEI-Nebenreaktion gelingt es, die kalendarische Alterung der Zellen in dem f{\"u}r viele kommerzielle Anwendungen relevanten Bereich von 100 \% bis 80 \% State of health (SOH) zu simulieren. Eine weitere wichtige Modellerweiterung stellt die Ber{\"u}cksichtigung mechanischer Effekte dar; dies f{\"u}hrt zu einer Beschreibung der zyklischen Alterung der Zelle. Dabei wird ein realer mechanischer Effekt mit dem bestehenden elektrochemischen Modell verbunden. Grundlegende Hypothese ist hierbei, dass die SEI-Schicht beim Laden der Zelle aufbricht und es damit zu einer erh{\"o}hten Reduktion des Elektrolyten kommt. Somit ist das Modell in der Lage, sowohl kalendarische als auch zyklische Effekte zu simulieren, die auf chemischen und mechanischen Ursachen basieren. Die Ber{\"u}cksichtigung des Effektes der Austrocknung der Elektrode durch die Reduktion des Elektrolyten erm{\"o}glicht eine Vorhersage des irreversiblen Kapazit{\"a}tsverlustes bis weit {\"u}ber die 80 \% SOH-Grenze hinaus. Durch Hinzuf{\"u}gen einer zweiten SEI-Reaktion kann dar{\"u}ber hinaus das thermische und elektrische Verhalten der Zelle bei erh{\"o}hten Temperaturen außerhalb des Betriebsbereichs sowie bei externem Kurzschluss qualitativ und quantitativ gut abgebildet werden. Abweichungen der Modellvorhersage zu experimentellen Werten lassen sich zum Teil mit der Vernachl{\"a}ssigung von weniger relevanten physikalischen und chemischen Vorg{\"a}ngen erkl{\"a}ren. Ein weiterer Grund f{\"u}r Abweichungen ist in der Zusammensetzung der experimentellen Daten zu suchen, bei denen die Batterien stets von der gleichen Zellchemie sind, sich jedoch in der exakten Bauform teilweise unterscheiden. Um das an Parametern deutlich {\"u}berbestimmte Modell zu validieren, werden die Ergebnisse umfangreicher Experimente mit station{\"a}ren Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) verwendet. Neben Lade- und Entladezyklen sind die Elektrochemische-Impedanz-Spektroskopie (EIS) und Alterungsexperimente an baugleichen Zellen durchgef{\"u}hrt worden. Nur mit dieser experimentellen Unterst{\"u}tzung entsteht somit ein konsistentes thermo-elektrochemisches Modell der Zelle. Aufgrund der erweiterten experimentellen Datengrundlage kann somit die Komplexit{\"a}t des Modells erh{\"o}ht werden. Diese verschiedenen Modellvorhersagen k{\"o}nnen mit einem einzigen Satz an Parametern gemacht werden. Durch die Kombination und Integration dieser unterschiedlichen Alterungseffekte in ein konsistentes physikalisches System entsteht damit ein Modell, dessen Aussagekraft sich nicht auf einen spezifischen Betriebsbereich der Zelle reduziert. Die Interaktionen der vielen physikalisch-chemischen Effekte sind f{\"u}r verschiedene Betriebszust{\"a}nde analytisch nur schwer absch{\"a}tzbar. Mit der modellbasierten Abbildung dieser komplexen Interaktionen wird somit ein wissenschaftlicher Mehrwert geschaffen.},
  language  = {de}
}