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Seit ihrer Markteinführung Anfang der neunziger Jahre spielen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) eine wichtige Rolle in der Gesellschaft und Entwicklung neuer Technologien. Mit zunehmendem Bewusstsein für den Klimawandel wurde auch die Notwendigkeit erkannt, fossile Energieträger durch Alternativen zu ersetzen. Hierbei spielen LIB in einer Vielzahl von Anwendungen eine entscheidende Rolle. Zu finden sind sie sowohl im stationären Bereich wie z. B. Heimspeicher, als auch mobilen Anwendungen von der Armbanduhr bis hin zu Fähren. Neue Einsatzgebiete bedeuten dabei immer größer werdende Herausforderungen, die LIBn auf die jeweiligen Anforderungen abzustimmen. Mathematische Modelle spielen in der Forschung und Entwicklung von LIB einen elementaren Bestandteil. Mithilfe von numerischer Simulation wird das Verhalten der LIB nachgebildet, um ein besseres Verständnis für deren Verhalten zu bekommen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Parametrierung und experimentellen Validierung eines pseudo-3D (P3D) multiphysikalischen Modells einer kommerziellen 350 mAh Hochleistungs- (HP) Lithium-Ionen-Pouchzelle. Die LIB hat eine Graphitanode und eine Lithium-Kobaltoxid (LCO)/Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) Mischkathode. Das Modell beschreibt die Transportprozesse auf den drei folgenden Skalen: Wärmetransport auf der Zellebene (Makroskala) – Massen- und Ladungstransfer auf der Elektrodenpaarebene (Mesoskala) – Massentransport im Aktivmaterial (Mikroskala). Mithilfe der Open-Source-Software Cantera zur Berechnung der chemischen Kinetik wird eine verallgemeinerte Beschreibung der elektrochemischen Vorgänge in der Mischelektrode entwickelt. Zum Ende der Modellerstellung kann eine sehr gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit galvanostatischen Lade-/Entlademessungen, elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Oberflächentemperaturmessungen über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen (0,05 C bis 10 C Ladung und Entladung, 5 °C bis 35 °C) gezeigt werden. Anschließend werden Methoden entwickelt, die Verluste, die in einer LIB während dem Betrieb entstehen, auf deren Ursachen zurückführen zu können. Die Verluste äußern sich in Überspannungen während der Lade und Entladevorgänge. Hierbei finden drei verschiedene Methoden ihre Anwendungen: (1) Aufteilung der Überspannungsbeiträge entsprechend ihrer Ursachen hinsichtlich der ohmschen Anteile sowie der Konzentrations- und Aktivierungsanteile der einzelnen Zellkomponenten. (2) Die partielle elektrochemische Impedanzspektroskopie zur Darstellung der verschiedenen Beiträge der EIS. (3) Sensitivitätsanalyse hinsichtlich globaler Kennwerte (Kapazität, Innenwiderstand und Impedanz) und der Überspannungen zur Bewertung des Einflusses der verschiedenen Zellparameter hinsichtlich der Simulationsergebnisse. Zum Abschluss wird der Zielkonflikt zwischen Energie und Leistung betrachtet, der insbesondere auch bei Elektrofahrzeugen eine Rolle spielt, da große Reichweiten (viel Energie) und möglichst kurze Ladezeiten (hohe Leistung) gefordert werden. Es wird gezeigt, dass Lithiumplating durch hohe Temperaturen oder durch die Verwendung des CCCPCV-Ladeprotokolls, mit einer Phase mit konstantem Anodenpotential, vermieden werden kann. Es wird eine spezifische Ladeleistung eingeführt und diese als das Verhältnis zwischen der entladenen Energie (bei langsamer Entladung) und der erforderlichen Ladezeit (bei schneller Ladung) quantifiziert. Die Wert weisen ein deutliches Optimum in Bezug auf die Elektrodendicke auf. Bei 35 °C wurde das Optimum mit einem Hochenergie-Elektrodendesign erreicht, das 23,8 Wh/(min·l) spezifische Ladeleistung bei 15,2 min Ladezeit (10 % bis 80 % SOC) und 517 Wh/l Entladeenergiedichte ergab. Durch die Analyse der verschiedenen Überspannungsbeiträge konnten wir zeigen, dass Elektrolyt-Transportverluste für die unzureichende Lade- und Entladeleistung von Zellen mit sehr dicken Elektroden hauptverantwortlich sind.
Um bei der Produktentwicklung auf die immer höheren Anforderungen wie Effizienz- oder Kostenoptimierung reagieren zu können, stehen die Unternehmen vor der Herausforderung, neue, leistungsfähige Komponenten zu entwickeln. Hierzu müssen geeignete Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung stehen. Bei der Auslegung von strömungsführenden Bauteilen wie zum Beispiel Rohrleitungen, Krümmern oder Ansaugstutzen wird meist auf Standard Konstruktionen zurückgegriffen. Hierzu zählen zum Beispiel gerade Rohre, 90 Grad- Umlenkungen und Diffusoren. Neue Topologieoptimierungsverfahren im Bereich Computational Fluid Dynamics (CFD) bieten die Möglichkeit, solche Bauteile für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert zu dimensionieren und somit zu einer Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems beizutragen. Darüber hinaus kann die Topologieoptimierung schon in sehr frühen Phasen des Entwicklungsprozesses eingesetzt werden und somit helfen, die Anzahl an Entwicklungsstufen zu reduzieren.
Lithium-ion batteries exhibit a well-known trade-off between energy and power, which is problematic for electric vehicles which require both high energy during discharge (high driving range) and high power during charge (fast-charge capability). We use two commercial lithium-ion cells (high-energy [HE] and high-power) to parameterize and validate physicochemical pseudo-two-dimensional models. In a systematic virtual design study, we vary electrode thicknesses, cell temperature, and the type of charging protocol. We are able to show that low anode potentials during charge, inducing lithium plating and cell aging, can be effectively avoided either by using high temperatures or by using a constant-current/constant-potential/constant-voltage charge protocol which includes a constant anode potential phase. We introduce and quantify a specific charging power as the ratio of discharged energy (at slow discharge) and required charging time (at a fast charge). This value is shown to exhibit a distinct optimum with respect to electrode thickness. At 35°C, the optimum was achieved using an HE electrode design, yielding 23.8 Wh/(min L) volumetric charging power at 15.2 min charging time (10% to 80% state of charge) and 517 Wh/L discharge energy density. By analyzing the various overpotential contributions, we were able to show that electrolyte transport losses are dominantly responsible for the insufficient charge and discharge performance of cells with very thick electrodes.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics model of a 350 mAh high-power lithium-ion pouch cell with graphite anode and lithium cobalt oxide/lithium nickel cobalt aluminum oxide (LCO/NCA) blend cathode. The model describes transport processes on three different scales: Heat transport on the macroscopic scale (cell), mass and charge transport on the mesoscopic scale (electrode pair), and mass transport on the microscopic scale (active material particles). A generalized description of electrochemistry in blend electrodes is developed, using the open-source software Cantera for calculating species source terms. Very good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements, electrochemical impedance spectroscopy, and surface temperature measurements is observed over a wide range of operating conditions (0.05C to 10C charge and discharge, 5°C to 35°C). The behavior of internal states (concentrations, potentials, temperatures) is discussed. The blend materials show a complex behavior with both intra-particle and inter-particle non-equilibria during cycling.
Lithium‐ion battery cells are multiscale and multiphysics systems. Design and material parameters influence the macroscopically observable cell performance in a complex and nonlinear way. Herein, the development and application of three methodologies for model‐based interpretation and visualization of these influences are presented: 1) deconvolution of overpotential contributions, including ohmic, concentration, and activation overpotentials of the various cell components; 2) partial electrochemical impedance spectroscopy, allowing a direct visualization of the origin of different impedance features; and 3) sensitivity analyses, allowing a systematic assessment of the influence of cell parameters on capacity, internal resistance, and impedance. The methods are applied to a previously developed and validated pseudo‐3D model of a high‐power lithium‐ion pouch cell. The cell features a blend cathode. The two blend components show strong coupling, which can be observed and interpreted using the results of overpotential deconvolution, partial impedance spectroscopy, and sensitivity analysis. The presented methods are useful tools for model‐supported lithium‐ion cell research and development.
Predicting energy production from photovoltaics (PV) is crucial for efficient energy management. In order to apply different operating strategies, it is necessary to predict the expected amounts of PV energy. The operating strategies are typically optimized with regard to economic or technical goals or a combination of both. Within this work, we show a possibility to predict PV power production using local weather data and Neural Ordinary Differential Equations (NODE). Based on the measured values from the PV system and an associated weather station, the NODE is trained and validated with regard to PV production. The measurement data are collected from the PV system of the former Campus North of Offenburg University of Applied Sciences.