DE102016222391A1 - Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien durch Temperaturänderung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei die Temperatur der Batterie um mindestens 5 °C von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur reduziert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lithium-Ionen-Batterie regeneriert nach einem derartigen Verfahren, sowie eine Lithium-Ionen-Batterie aufweisend ein Batterie-Managementsystem eingerichtet zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei die Temperatur der Batterie um mindestens 5 °C von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur reduziert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lithium-Ionen-Batterie regeneriert nach einem derartigen Verfahren, sowie eine Lithium-Ionen-Batterie aufweisend ein Batterie-Managementsystem eingerichtet zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • Die Lithium-Ionen-Batterie gilt heute als Schlüsseltechnologie in der Elektromobilität. Sekundäre Lithium-Ionen-Batterien sind heute weit verbreitete elektrochemische Energiespeicher mit hohen Energiedichten. Sekundäre Lithium-Ionen-Batterien werden vor allem im Bereich der tragbaren Elektronik, für Werkzeuge und für Fahrräder oder Automobile eingesetzt.
  • Die drei wesentlichen Komponenten einer Lithium-Ionen-Batterie sind die negative Elektrode (Anode) und die positive Elektrode (Kathode), sowie eine Elektrolytzusammensetzung, die den reversiblen Transport zwischen den beiden Elektroden ermöglicht. Aktivmaterialien in bekannten Anoden für Lithium-Ionen-Batterien bestehen häufig aus Kohlenstoff mit graphitischem Anteil. Als Kathode werden häufig Lithiummetalloxid-Verbindungen verwendet, beispielsweise Olivin-Verbindungen, wie FePO4 (Lithiumeisenphosphat), Spinell-Verbindungen, wie LiMn2O4 (Lithiummangantetraoxid) und LiNi0,5Mn1,5O4 (Lithiumnickelmangantetraoxid), oder Schichtoxidverbindungen, wie LiCoO2 (Lithiumcolbatdioxid), LiNiO2 (Lithiumnickeldioxid), LiMnO2 (Lithiummangandioxid) und LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 (Lithiumnickelmangancobaltoxid), oder Gemische davon. Der Energiegehalt der Lithium-Ionen-Batterie ist direkt von der Kapazität des eingesetzten Materials der Anode und der Kathode abhängig. Eine Erhöhung dieser Kapazität ermöglicht bei gleichem Gewicht und/oder Volumen der Zelle einen erhöhten Energiegehalt.
  • Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien ist typischer Weise bis zu einem Abfall auf 80 % der Ursprungskapazität definiert und beträgt mehrere tausend Zyklen bei einer 1C/1C-Belastung. Der Zustand einer galvanischen Zelle, also auch einer Lithium-Ionen-Batterie, wird im Allgemeinen durch den Ladezustand (Ladungszustand), auch als State of Charge (SOC) bezeichnet, und den Gesundheitszustand (Alterungszustand), auch als State of Health (SOH) bezeichnet, definiert. Der Ladezustand gibt das Verhältnis der aktuellen Ladekapazität zur Ladekapazität im vollgeladenen Zustand an. Der Gesundheitszustand gibt das Verhältnis der aktuellen maximalen Entladekapazität einer Batterie im Vergleich zu ihrer idealen maximalen Entladekapazität an, entsprechend der Spezifikation oder dem Gesundheitszustand bei der Herstellung der Batterie. Beide Zustände werden in Prozent angegeben. Der Gesundheitszustand nimmt sowohl durch kalendarische Alterung als auch durch Belastungsalterung ab.
  • Die Nutzung einer Lithium-Ionen-Batterie führt im Laufe der Zeit zu einer verstärkten Zellschädigung und damit Alterung. Eine Lagerung einer Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere bei hohen Temperaturen, führt ebenfalls zu einer verstärkten Zellschädigung und damit einer schnelleren Alterung. Die kalendarische Alterung tritt zum einen bei längeren Lagerzeiten der Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise während des Zeitraums zwischen Batteriefertigung und Ersteinsatz, oder auch bei längeren Standzeiten, also Nichtverwendung ohne Lade- und Entladezyklen der Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise während Standzeiten von Fahrzeugen auf. Im Laufe der Zeit sinkt dabei die Kapazität und der State of Health (SOH) nimmt ab. Ursächlich dafür ist unter anderem eine verstärkte Bildung der Solid Electrolyt Interface (SEI) aufgrund einer erhöhten Elektrolytzersetzung. Des Weiteren kommt es zu einer Beanspruchung des Aktivmaterials der gesamten Elektrodenstruktur, beispielsweise bei der Lagerung oder auch beim Laden beziehungsweise Entladen, die so eine Volumenänderung erfährt, was zur Zerstörung der Elektrode und einem damit verbundenen Kapazitätsverlust führt.
  • US 2003/0008213 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung der Batterie bei Raumtemperatur nach vorheriger Lagerung bei hohen Temperaturen, wodurch die Leistung der Batterie verbessert werden kann.
  • Keil et al. („Aging of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles: Impact of Regenerative Braking“, 2015, EVS28, International Electric Vehicle Symposium and Exibition, Korea) offenbart die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen, wobei die Lebensdauer der Batterie durch optimierte Betriebsbedingungen verlängert werden kann. Lithium-Ionen-Batterien altern bei der Zyklisierung besonders bei niedrigen Temperaturen, während sich ein kalendarisches Altern mit zunehmender Temperatur einstellt.
  • Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, die für Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien, insbesondere der Anode, der Kathode und/oder der Elektrolytzusammensetzung zu verbessern, um dadurch einen geringeren Kapazitätsverlust durch kalendarische Alterung zu bewirken.
  • Es ist zudem bekannt, dass Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen gelagert werden können, um den Effekt der kalendarischen Alterung zu minimieren. Eine dauerhafte Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien ist jedoch praktisch nur schwer durchführbar, da im Einsatz und/oder beim Transport der Lithium-Ionen-Batterien eine dauerhafte Klimatisierung gewährleistet werden muss.
  • Eine Maßnahme, die der kalendarischen und nutzungsabhängigen Alterung von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere dem damit einhergehenden Verlust der Entladekapazität entgegenwirkt, insbesondere dauerhaft entgegenwirkt, insbesondere den Kapazitätsverlust teilweise oder vollständig rückgängig macht, ist bislang nicht bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diesen Kapazitätsverlust, insbesondere den Verlust der ursprünglichen Entladekapazität, ganz oder teilweise rückgängig zu machen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, wodurch Lithium-Ionen-Batterien regeneriert werden können, insbesondere wodurch die Entladekapazität von Lithium-Ionen-Batterien erhöht wird, also ein durch Nutzung und/oder Alterung entstandener Verlust der idealen, maximalen Entladekapazität teilweise oder ganz rückgängig gemacht wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen, wobei die Temperatur der Batterie um mindestens 5 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur reduziert wird. Der erfindungsgemäß vorgesehene gezielte Temperaturwechsel von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite um mindestens 5 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, geringere Batterietemperatur, das heißt eine Temperaturreduktion um mindestens 5 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, führt überraschenderweise zu einer Regeneration der Lithium-Ionen-Batterie.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von < 1C ausgesetzt wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Zyklisierung mit einer C-Rate von < 1C führt überraschenderweise zu einer Regeneration der Lithium-Ionen-Batterie, sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Temperaturen.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie bereitgestellt, wobei ein erster Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie mindestens einmal um mindestens 1 %-Punkt auf einen zweiten Ladezustand reduziert wird, also gezielt auf diesen niedrigeren Wert eingestellt wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Reduktion eines ersten Ladezustandes einer Lithium-Ionen-Batterie auf einen deutlich geringeren, um mindestens 1 %-Punkt geringeren Ladezustand führt überraschenderweise zu einer Regeneration der Lithium-Ionen-Batterie.
  • Durch die erfindungsgemäßen Verfahren wird überraschenderweise die maximale Entladekapazität einer Lithium-Ionen-Batterie erhöht, d.h. die Lithium-Ionen-Batterie regeneriert, also der SOH erhöht. Überraschenderweise erhöht sich auch die Zyklenstabilität und führt somit zur Erhöhung der Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie. Die vorliegende Erfindung stellt also auch ein Verfahren bereit, wobei die Zyklenstabilität und/oder die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie erhöht wird.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere nach Lagerung bei hohen Temperaturen und/oder Benutzung der Lithium-Ionen-Batterie, erhöht signifikant die Entladekapazität von Lithium-Ionen-Batterien.
  • Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien dienen, in bevorzugter Ausführungsform, der Regeneration von Batterien insbesondere vor Ersteinsatz, nach Hochtemperaturlagerung, beim Transport oder nach dem, und/oder für den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien, die länger gelagert wurden, insbesondere unter hohen Temperatur, wie es auch beim Transport oder der Nutzung von Fahrzeugen auftreten kann.
  • Die vorliegende Erfindung zeigt, dass die Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen zu einem Regenerationseffekt der Lithium-Ionen-Batterien führt, insbesondere zur einer Erhöhung der Entladekapazität, also zu einem Anstieg des SOH.
  • Die Erfindung zeigt auch, dass die Zyklisierung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen C-Raten, also bei C-Raten <1C, insbesondere durch ein Vermeiden von mehrfachen Schnellladen, zu einem Regenerationseffekt der Lithium-Ionen-Batterien führt, insbesondere zur einer Erhöhung der Entladekapazität, also zu einem Anstieg des SOH.
  • Eine erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehene Zyklisierung bei niedrigen Temperaturen mit niedrigen C-Raten führt zu einem nochmals stärkeren Regenerationseffekt der Lithium-Ionen-Batterien, also zu einer größeren Erhöhung der Entladekapazität.
  • Vorteilhafterweise werden in bevorzugter Ausführung Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen regeneriert. Vorteilhafterweise werden in bevorzugter Ausführung Lithium-Ionen-Batterien mit niedrigen C-Raten regeneriert. Vorteilhafterweise werden in bevorzugter Ausführung Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen und mit niedrigen C-Raten regeneriert.
  • Eine weitere vorteilhafte Lehre, die ebenfalls zur Erhöhung der Entladekapazität führt, ergibt sich durch die gezielte Einstellung eines niedrigeren SOC während, vor oder nach der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien. Je größer die eingestellte SOC-Differenz zwischen Ausgangs-SOC und eingestelltem SOC, also insbesondere je niedriger der SOC, desto stärker ist der Effekt der Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere wenn eine Lagerung bei niedrigen Temperaturen und/oder Zyklisierung mit niedrigen C-Raten erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt vorteilhafterweise Verfahren zur langfristigen Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien bereit, also einer nachhaltigen Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien, die eine Erhöhung der Entladekapazität auch bei zukünftiger Lagerung und/oder Benutzung mit sich bringt. In besonders vorteilhafter Weise zeichnen sich die erfindungsgemäßen Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie also auch dadurch aus, dass die erfindungsgemäß bereitgestellte erhöhte Entladekapazität auch über einen längeren Zeitraum nach Abschluss der erfindungsgemäßen Verfahren erhalten bleibt und zwar sowohl bei Lagerung als auch bei Nutzung der Lithium-Ionen-Batterie. Insbesondere ist der erfindungsgemäß bereitgestellte Effekt, das heißt die erhöhte Entladekapazität, auch bei Lagerung über mehr als 25 Tage, mehr als 30 Tage, mehr als 50 Tage, mehr als 70 Tage und mehr als 80 Tage nach Abschluss der erfindungsgemäßen Verfahren erkennbar, insbesondere auch bei Lagerung bei höheren Temperaturen, beispielsweise mindestens 60 °C.
  • Unter dem Begriff „Lithium-Ionen-Batterie“ wird erfindungsgemäß sowohl eine primäre als auch sekundäre Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt eine sekundäre Lithium-Ionen-Batterie, verstanden. Eine primäre Lithium-Ionen-Batterie ist eine nicht wiederaufladbare Batterie, eine sekundäre Batterie ist eine wiederaufladbare Batterie.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Lithium-Ionen-Batterie weist in bevorzugter Ausführungsform a) ein Gehäuse, b) einen Batteriekern aufweisend mindestens eine galvanische Zelle mit einer Kathode, einer Anode, einem elektrisch isolierenden Element und einer Elektrolytzusammensetzung auf. Die vorliegenden Regenerationsverfahren sind bevorzugt auf alle Lithium-Ionen-Batterien, unabhängig von der Bauform, beispielsweise prismatische Zelle, Pouch-Zelle, Rund-Zelle, der Zellchemie, beispielsweise NMC, LFP, NCA/Graphit, Graphit mit Si, sowie dem Elektrolyt anwendbar.
  • In bevorzugter Ausführungsform weist die Lithium-Ionen-Batterie ein Batterie-Managementsystem auf.
  • In bevorzugter Ausführungsform weist die Anode der Lithium-Ionen-Batterie Graphit mit oder ohne Siliziummaterial, Leitruß und mindestens einen Binder oder ein Bindersystem auf.
  • Die Elektrolytzusammensetzung einer Lithium-Ionen-Batterie ist bevorzugt eine flüssige, nicht wässrige Elektrolytzusammensetzung, bevorzugt eine feste Elektrolytzusammensetzung. Die Elektrolytzusammensetzung enthält bevorzugt ein Lithiumsalz sowie ein organisches Lösungsmittel oder eine Kombination von organischen Lösungsmitteln, wobei das Lithiumsalz in dem organischen Lösungsmittel oder in der Kombination von organischen Lösungsmitteln gelöst ist und als Leitsalz fungiert.
  • In bevorzugter Ausführungsform weist die Kathode mindestens eine Lithium-Metalloxid-Verbindung auf, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LiFePO4 (Lithiumeisenphosphat), LiMn2O4 (Lithiummangantetraoxid), LiNi0,5Mn1,5O4 (Lithiumnickelmangantetraoxid), LiCoO2 (Lithiumkobaltdioxid), LiNiO2 (Lithiumnickeldioxid), LiMnO2 (Lithiummangandioxid), LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 (Lithiumnickelmangankobaltoxid), und Gemischen davon. In bevorzugter Ausführungsform weist die Kathode bevorzugt allein xLi2MnO3(1-x)LiNiαCoβMnү)O2 mit 0 < x < 1 auf, insbesondere als Schichtstruktur, wobei bevorzugt Nanodomänen aus Li2MnO3 und Li(NiαCoβMnү)O2 vorliegen. In xLi2MnO3(1-x)Li(NiαCoβMnү)O2 hat α bevorzugt einen Wert von 0,01 bis 0,98, bevorzugt 0,1 bis 0,8, bevorzugt 0,1 bis 0,45. In xLi2MnO3(1-x)Li(NiαCoβMnү)O2 hat β bevorzugt einen Wert von 0,01 bis 0,98, bevorzugt 0,1 bis 0,8, bevorzugt 0,1 bis 0,45. In xLi2MnO3(1-x)Li(NiαCoβMnү)O2 hat ү bevorzugt einen Wert von 0,01 bis 0,98, bevorzugt 0,1 bis 0,8, bevorzugt 0,1 bis 0,45.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Batterietemperatur um mindestens 5 °C von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur reduziert wird, bevorzugt um mindestens 10 °C, bevorzugt um mindestens 12 °C, bevorzugt um mindestens 15 °C, bevorzugt um mindestens 20 °C, bevorzugt um mindestens 25 °C, bevorzugt um mindestens 30 °C, bevorzugt um mindestens 35 °C, bevorzugt um mindestens 40 °C, bevorzugt um 10 bis 40 °C, bevorzugt um 10 bis 35 °C, bevorzugt um 10 bis 30 °C, bevorzugt um 10 bis 25 °C, bevorzugt um 10 bis 20 °C, bevorzugt um 10 bis 15°C, bevorzugt um 10 bis 17 °C, bevorzugt um 15 bis 20 °C.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die erste Batterietemperatur 30 bis 75 °C beträgt, bevorzugt 35 bis 75 °C, bevorzugt 40 bis 75 °C, bevorzugt 45 bis 75 °C, bevorzugt 50 bis 75 °C, bevorzugt 30 bis 70 °C, bevorzugt 35 bis 70 °C, bevorzugt 30 bis 65 °C, bevorzugt 35 bis 65 °C, bevorzugt 30 bis 60 °C, bevorzugt 35 bis 60 °C, bevorzugt 30 bis 50 °C, bevorzugt 35 bis 50 °C, bevorzugt 40 bis 70 °C, bevorzugt 40 bis 65 °C, bevorzugt 40 bis 60 °C.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die zweite Batterietemperatur 5 bis 45 °C beträgt, bevorzugt 5 bis 40 °C, bevorzugt 5 bis 35 °C, bevorzugt 5 bis 30 °C, bevorzugt 5 bis 25 °C, bevorzugt 5 bis 20 °C, bevorzugt 10 bis 45 °C, bevorzugt 10 bis 40 °C, bevorzugt 10 bis 35 °C, bevorzugt 10 bis 30 °C, bevorzugt 10 bis 25 °C, bevorzugt 10 bis 20 °C, bevorzugt 15 bis 45 °C, bevorzugt 15 bis 40 °C, bevorzugt 15 bis 35 °C, bevorzugt 15 bis 30 °C.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1 C ausgesetzt wird.
  • In einer bevorzugen Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei mindestens einmal zyklisiert wird, bevorzugt mindestens 5 mal, bevorzugt mindestens 10 mal, bevorzugt mindestens 20 mal, bevorzugt mindestens 50 mal, bevorzugt mindestens 100 mal, bevorzugt 10 bis 100 mal, bevorzugt 20 bis 100 mal, bevorzugt 50 bis 100 mal, bevorzugt 10 bis 50 mal, bevorzugt 20 bis 50 mal.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der Temperaturreduktion, bevorzugt einer Temperaturreduktion um mindestens 5 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur, einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1 C ausgesetzt wird.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie vor, während und nach der Temperaturreduktion, insbesondere einer Temperaturreduktion um mindestens 5 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur, einer Zyklisierung mit einer C-Rate von < 1C ausgesetzt wird.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie über einen Zeitraum von 2 bis 60 Tagen bei der zweiten Batterietemperatur oder einer Regenerationstemperatur gelagert wird, bevorzugt von 2 bis 50 Tagen, bevorzugt von 2 bis 40 Tagen, bevorzugt von 2 bis 30 Tagen, bevorzugt von 2 bis 20 Tagen, bevorzugt von 2 bis 10 Tagen, bevorzugt von 5 bis 60 Tagen, bevorzugt von 5 bis 50 Tagen, bevorzugt von 5 bis 40 Tagen, bevorzugt von 5 bis 30 Tagen, bevorzugt von 5 bis 20 Tagen, bevorzugt von 5 bis 10 Tagen, bevorzugt von 10 bis 60 Tagen, bevorzugt von 10 bis 50 Tagen, bevorzugt von 10 bis 40 Tagen, bevorzugt von 10 bis 30 Tagen, bevorzugt von 10 bis 20 Tagen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lithium-Ionen-Batterie über einen Zeitraum von mehr als 60 Tagen bei der zweiten Batterietemperatur oder einer Regenerationstemperatur gelagert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie über einen Zeitraum von 2 bis 60 Tagen einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1 C ausgesetzt wird, bevorzugt von 2 bis 50 Tagen, bevorzugt von 2 bis 40 Tagen, bevorzugt von 2 bis 30 Tagen, bevorzugt von 2 bis 20 Tagen, bevorzugt von 2 bis 10 Tagen, bevorzugt von 5 bis 60 Tagen, bevorzugt von 5 bis 50 Tagen, bevorzugt von 5 bis 40 Tagen, bevorzugt von 5 bis 30 Tagen, bevorzugt von 5 bis 20 Tagen, bevorzugt von 5 bis 10 Tagen, bevorzugt von 10 bis 60 Tagen, bevorzugt von 10 bis 50 Tagen, bevorzugt von 10 bis 40 Tagen, bevorzugt von 10 bis 30 Tagen, bevorzugt von 10 bis 20 Tagen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von C/2 bis C/16 ausgesetzt wird, bevorzugt C/3 bis C/16, bevorzugt C/4 bis C/16, bevorzugt C/5 bis C/16, bevorzugt C/6 bis C/16, bevorzugt C/2 bis C/10, bevorzugt C/2 bis C/8, bevorzugt C/2 bis C/6, bevorzugt C/4 bis C/16, bevorzugt C/4 bis C/10, bevorzugt C/4 bis C/8.
  • Die erfindungsgemäß bevorzugte Zyklisierung mit einer C-Rate von C/2 bis C/16, d.h. einer besonders niedrigen C-Rate, weist den Vorteil auf, dass eine Alterung vermieden oder weitgehend vermieden wird, bevorzugt vergleichsweise reduziert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1C bis >C/2 ausgesetzt wird.
  • Die in bevorzugter Ausführungsform vorgesehene Zyklisierung bei einer C-Rate von <1C bis >C2 weist den Vorteil auf, dass das Kapazitätsmaximum vergleichsweise schnell erreicht wird.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die C-Rate bei der Zyklisierung der Lithium-Ionen-Batterie konstant ist, bevorzugt bei mehreren Entlade-/Ladezyklen konstant ist.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die C-Rate bei der Zyklisierung der Lithium-Ionen-Batterie geändert wird, bevorzugt bei mehreren Entlade-/Ladezyklen geändert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei ein erster Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie mindestens einmal um mindestens 1 %-Punkt reduziert wird, bevorzugt um mindestens 2 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 3 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 5 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 10 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 15 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 20 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 25 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 30 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 35 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 40 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 45 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 50 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 55 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 65 %-Punkte, oder bevorzugt um bis zu 95 %-Punkte der maximalen Entladekapazität.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei ein erster Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der Temperaturreduktion mindestens einmal um mindestens 1 %-Punkt auf einen zweiten Ladezustand reduziert wird, bevorzugt um mindestens 2 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 3 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 5 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 10 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 15 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 20 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 25 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 30 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 35 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 40 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 45 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 50 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 55 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 65 %-Punkte, oder bevorzugt um bis zu 95 %-Punkte der maximalen Entladekapazität.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei ein erster Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der bevorzugt zusätzlich vorgesehenen Zyklisierung mit einer C-Rate von < 1C mindestens einmal um mindestens 1 %-Punkt auf einen zweiten Ladezustand reduziert wird, bevorzugt um mindestens 2 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 3 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 5 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 10 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 15 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 20 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 25 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 30 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 35 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 40 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 45 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 50 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 55 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 65 %-Punkte, oder bevorzugt um bis zu 95 %-Punkte der maximalen Entladekapazität.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei der erste Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie mindestens 20 % beträgt, bevorzugt mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 40 %, bevorzugt mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 80 %, bevorzugt maximal 98 %, bevorzugt maximal 95 %, bevorzugt maximal 90 %, bevorzugt maximal 80 %, bevorzugt 20 bis 100 %, bevorzugt 30 bis 100 %, bevorzugt 40 bis 100 %, bevorzugt 50 bis 100 %, bevorzugt 60 bis 100 %, bevorzugt 70 bis 100 %, bevorzugt 80 bis 100 %.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei der zweite Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie maximal 80 % beträgt, bevorzugt maximal 70 %, bevorzugt maximal 60 %, bevorzugt maximal 50 %, bevorzugt maximal 40 %, bevorzugt maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, bevorzugt maximal 5 %, bevorzugt 5 bis 50 %, bevorzugt 10 bis 50 %, bevorzugt 5 bis 40 %, bevorzugt 10 bis 40 %, bevorzugt 5 bis 30 %, bevorzugt 10 bis 30 %, bevorzugt 5 bis 20 %, bevorzugt 10 bis 20 %, bevorzugt 20 bis 50 %, bevorzugt 20 bis 40 %, bevorzugt 20 bis 30 %.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Entladekapazität der Lithium-Ionen-Batterie um mindestens 1 %-Punkt erhöht wird, bevorzugt um mindestens 2 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 3 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 4 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 5 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 5 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 7 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 10 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 15 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 20 %-Punkte.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Regeneration der Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere die Zyklisierung der Lithium-Ionen-Batterie, bei einer Spannung von 2,0 bis 6,0 Volt durchgeführt wird, bevorzugt von 2,0 bis 5,0 Volt, bevorzugt von 2,5 bis 3,7 Volt, bevorzugt von 2,5 bis 5,0 Volt, bevorzugt von 3,0 bis 5,0 Volt, bevorzugt von 3,5 bis 5,0 Volt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Lithium-Ionen-Batterie regeneriert, indem die Batterie bei einer Regenerationstemperatur gelagert wird. Die Lagerung bei einer Regenerationstemperatur führt überraschenderweise zu einer Regeneration der Lithium-Ionen-Batterie.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Regenerationstemperatur, hier auch als niedrige Temperatur bezeichnet, eine Temperatur oder ein Temperaturbereich verstanden, wie erfindungsgemäß für die zweite Batterietemperatur angegeben ist. Die Lagerung einer Batterie bei Regenerationstemperatur, das heißt das Aussetzen dieser Batterie einer Regenerationstemperatur, führt zum Ausgleichen der Batterietemperatur an die Regenerationstemperatur. Eine zweite Batterietemperatur ist eine Temperatur, die nach der Temperaturreduktion von einer ersten Batterietemperatur erhalten wurde, also das Ergebnis eines Temperaturwechsels. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Lagerung bei Hochtemperatur eine Lagerung bei einer Temperatur verstanden, die der Temperatur oder dem Temperaturbereich entspricht, wie erfindungsgemäß für die erste Batterietemperatur angegeben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Lithium-Ionen-Batterie regeneriert, indem die Batterie vor, während und/oder nach der Lagerung bei einer Regenerationstemperatur zyklisiert wird, insbesondere mit einer C-Rate < 1C, wobei eine Erhöhung der Entladekapazität erreicht wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Lithium-Ionen-Batterie regeneriert, indem der SOC der Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der Lagerung bei einer Regenerationstemperatur um mindestens 1 %-Punkt reduziert wird, bevorzugt um mindestens 2 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 3 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 5 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 10 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 15 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 20 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 25 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 30 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 35 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 40 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 45 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 50 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 55 %-Punkte, bevorzugt um mindestens 65 %-Punkte, oder bevorzugt um bis zu 95 %-Punkte der maximalen Entladekapazität.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, wobei die Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der Reduktion des Ladezustands einer Zyklisierung mit einer C-Rate von < 1 C und einer Regenerationstemperatur ausgesetzt wird.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein Verfahren vorgesehen, wobei die Regenerationstemperatur 5 bis 45 °C beträgt, bevorzugt 5 bis 40 °C, bevorzugt 5 bis 35 °C, bevorzugt 5 bis 30 °C, bevorzugt 10 bis 45 °C, bevorzugt 10 bis 40 °C, bevorzugt 10 bis 35 °C, bevorzugt 10 bis 30 °C, bevorzugt 15 bis 45 °C, bevorzugt 15 bis 40 °C, bevorzugt 15 bis 35 °C, bevorzugt 15 bis 30 °C.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gibt die Zyklenstabilität an, welche Anzahl von Entlade-/Ladezyklen durchgeführt werden können, bis die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie auf einen gewissen Wert, bevorzugt auf 80 % der Ausgangskapazität, das heißt der Kapazität nach dem ersten vollständigen Ladevorgang gefallen ist. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer hohen Zyklenstabilität zeichnet sich daher dadurch aus, dass über eine Vielzahl von Lade-/Entladezyklen die Kapazität nahezu konstant, bevorzugt konstant bleibt. Die Zyklenstabilität einer Lithium-Ionen-Batterie ist unabhängig von der Coulomb-Effizienz einer Lithium-Ionen-Batterie. Unter Coulomb-Effizient, auch als Coulomb-Wirkungsgrad bezeichnet, wird das Verhältnis von entnommener zu aufgenommener Ladungsmenge verstanden. Dementsprechend kann eine Lithium-Ionen-Batterie trotz schlechter Zyklenstabilität eine hohe Coulomb-Effizienz aufweisen und umgekehrt.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Batterietemperatur“ die Temperatur verstanden, die eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, aufweist. Die Batterietemperatur entspricht, nach gegebenenfalls erforderlicher Temperaturangleichung, der Lagertemperatur der Batterie.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „C-Rate“ ein auf die theoretische spezifische Kapazität der mindestens einen galvanischen Zelle bezogener relativer Lade- oder Entladestrom verstanden (A/Ah). Eine C-Rate von 0,575 C bedeutet beispielsweise, dass eine galvanische Zelle mit einer Kapazität von 1 Ah mit 0,575 A geladen wird.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lithium-Ionen-Batterie regeneriert nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lithium-Ionen-Batterie aufweisend ein Batterie-Managementsystem eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Batterie-Managementsystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Batterie-Managementsystem eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung und Regelung von Batterien, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien, dient, insbesondere Information über deren Zustand bereitstellt und Parameter einstellt, um einen bestimmten Zustand zu erreichen. Ein Batterie-ManagementSystem ermittelt insbesondere Entladekapazitäten und/oder Ladezustände von Lithium-Ionen-Batterien, stellt C-Raten zur Zyklisierung von Lithium-Ionen-Batterien ein und/oder erkennt Batterie-Temperaturen. Durch den Einsatz von Batterien-Managementsystemen bei Lithium-Ionen-Batterien kommt bevorzugt auf der Basis der Temperaturkontrolle, der Spannungsdiagnose und der Ladezustandsermittlung eine Ladungs- und Entladungs-Steuerung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist ein Batterie-Managementsystem eine Software, insbesondere eine Software integriert in ein elektronisches Bauteil der Lithium-Ionen-Batterie, welche zur Überwachung und Regelung eines erfindungsgemäßes Verfahrens zur Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien dient.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der zugehörigen Figuren näher erläutert.
  • Dabei zeigt
    • 1 den Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie bei Lagerung bei unterschiedlichen Temperaturen,
    • 2 den Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie nach Lagerung bei 60°C und Zyklisierung mit niedrigen C-Raten bei verschiedenen Temperaturen,
    • 3 den Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie nach Lagerung bei 60 °C vor, während und/oder nach Zyklisierung mit verschiedenen C-Raten bei 23 °C,
    • 4 den Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie in Abhängigkeit der Einstellung der C-Rate nach Lagerung bei 60 °C,
    • 5 den Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie in Abhängigkeit der Einstellung einer C-Rate und der Temperatur,
    • 6 den Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie in Abhängigkeit der Einstellung des SOC.
  • Beispiele
  • Die Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien nach Lagerung bei hohen Temperaturen und/oder Zyklisierung mit niedrigen C-Raten wurde am Beispiel von Zellen mit einer NMC(111)-Kathode und einer Graphit-Anode im PHEV2-Format gezeigt.
  • Versuchsbedingungen:
  • Die Bestimmung des erfindungsgemäßen Regenerationseffektes, d.h. der Entladekapazität, erfolgte unter folgenden Bedingungen:
  • Bestimmung der Kapazität (Charakterisierung):
    • - 3 Stunden Temperierung der Zelle in einer Klimakammer auf 23 °C
    • - 4 Zyklen - ein Zyklus entspricht:
      • Laden mit Konstantstrom (CC-Phase) 1C bis Ladeschlussspannung und anschließend mit Konstantspannungsphase (CV-Phase) mit Reduzierung des Stroms bis C/20; 30 min Pause;
      • Entladen mit Konstantstrom (CC-Phase) 1C bis Entladeschlussspannung; 30 min Pause;
    • - Anfahren/Einstellen des SOC über Ladungsdurchsatz bezogen auf gemessene Kapazität
  • Die Auswertung beinhaltet allein die Kapazität des 3. Zyklus. Die Bestimmung der Kapazität ist in den 1 bis 5 durch * gekennzeichnet.
  • Lagerung:
  • Die Lagerung der Batterie erfolgt unter folgenden Bedingungen:
    • - Lagerung der Zelle in Klimakammer bei definierter Temperatur
    • - SOC Anfahren/Einstellen erfolgt während der Charakterisierung
    • - Die Zellen werden während der Lagerung nicht nachgeladen
    • - Regelmäßige Spannungsmessung der Zellen
  • Zyklisierung:
  • Die erfindungsgemäß durchgeführten Zyklisierungen wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
    • - Zyklisierung erfolgt in einer Klimakammer bei definierter Temperatur
    • - 3 Stunden Temperierung der Zelle in einer Klimakammer
    • - C-Rate, Zyklenzahl und Temperatur wird angepasst
    • - Ablauf Zyklus:
      • Laden mit Konstantstrom (CC-Phase) bis Ladeschlussspannung und anschließend mit Konstantspannungsphase (CV-Phase) mit Reduzierung des Stroms bis C/20;
      • 10 min Pause;
      • Entladen mit Konstantstrom (CC-Phase) bis Entladeschlussspannung;
      • 10 min Pause.
  • Beispiel 1
  • Der Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie bei Lagerung bei unterschiedlichen Temperaturen wurde bestimmt (siehe 1).
  • Die Lithium-Ionen-Batterien wurden einer Lagerung bei 60 °C über 60 Tage ausgesetzt, wobei in Folge dessen eine drastischer Abfall der Entladekapazität auftritt. Die anschließende Temperaturreduzierung um 37 °C auf eine Batterietemperatur von 23 °C führt zu einem kontinuierlichen Anstieg der Entladekapazität, also einem SOH-Anstieg. Bei einer Lagerung bei 23 °C über 14 Tage ohne Zyklisierung wird der SOH der Lithium-Ionen-Batterie erhöht. 2 bis 5 zeigen einen Anstieg des SOH bei Lagerung bei 23 °C bei verschiedenen C-Raten. Bei einer anschließenden Lagerung bei 23 °C über 14 Tage mit oder ohne Zyklisierung der Lithium-Ionen-Batterie wird der SOH weiter erhöht, wobei der Regenerationseffekt bei Durchführung einer Zyklisierung größer ist.
  • Beispiel 2
  • Der Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie nach Lagerung bei 60 °C während und nach Zyklisierung mit niedrigen C-Raten bei verschiedenen Temperaturen sowie anschließender Lagerung wurde bestimmt (siehe 2).
  • Die Lithium-Ionen-Batterien wurden einer Lagerung bei 60 °C über 60 Tage ausgesetzt, wobei in Folge dessen eine drastischer Abfall der Entladekapazität auftritt. Nach der Lagerung der Lithium-Ionen-Batterie bei 60 °C führt die anschließende Zyklisierung mit einer C-Rate von C/8 über 14 Tage zu einem Anstieg der Entladekapazität, also einem SOH-Anstieg. Die Zyklisierung bei hohen Temperaturen von 60 °C führt ebenfalls zu einem Anstieg der Entladekapazität und zwar sogar zu einem schnelleren Erreichen des Maximums des Kapazitätsanstiegs, wobei die Kapazität anschließend allerdings etwas abfällt. Die Zyklisierung bei der niedrigen Temperatur von 23 °C erhöht den Anstieg des SOH zusätzlich, wobei der SOH erhalten durch Zyklisierung bei 23 °C signifikant über dem SOH erhalten durch Zyklisierung bei 60 °C liegt. Bei weiterer Lagerung der so regenerierten Zellen über 14 Tage bei 60 °C fällt die Entladekapazität der bei niedriger Temperatur regenerierten Zelle deutlich langsamer ab, der Regenerationseffekt ist also nachhaltiger als bei Zyklisierung bei 60 °C.
  • Beispiel 3
  • Der Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie nach Lagerung bei 60 °C während und nach Zyklisierung mit verschiedenen C-Raten bei 23 °C wurde bestimmt (siehe 3).
  • Die Lithium-Ionen-Batterien wurden einer Lagerung bei 60 °C über 60 Tage ausgesetzt, wobei in Folge dessen eine drastischer Abfall der Entladekapazität auftritt. Nach der Lagerung der Lithium-Ionen-Batterie bei 60 °C führt die anschließende Zyklisierung mit C-Raten <1C zu einem kontinuierlichen Anstieg der Entladekapazität, also einem SOH-Anstieg (siehe auch 2). Je geringer die C-Rate, desto mehr Zyklen werden benötigt, um das Maximum des Kapazitätsanstiegs zu erreichen (C/8 > 1 C > 4 C). Hierbei wird der Einfluss der Zyklisierung, insbesondere der C-Rate, auf die Alterung deutlich.
  • Je geringer die C-Rate, desto mehr Zyklen werden benötigt, um das Maximum des Kapazitätsanstiegs zu erreichen. Bei höheren C-Raten werden weniger Zyklen benötigt, um das Maximum des Kapazitätsanstiegs zu erreichen (siehe 3). Die Zyklisierung mit größeren C-Raten führt dazu, dass die maximale Regeneration schneller erreicht wird, eine Zyklisierung mit niedrigen C-Raten führt dazu, dass die maximale Regeneration später erreicht wird. Das Maximum der Regeneration bei niedrigen C-Raten liegt jedoch über dem Maximum durch die Regeneration bei größeren C-Raten.
  • Nach Überschreiten des Maximums tritt je nach C-Rate eine verstärkte Alterung auf, eine Zyklisierung bei niedrigeren C-Raten ist durch das spätere Erreichen dieses Maximums deshalb von Vorteil.
  • Beispiel 4
  • Der Kapazitätsverlauf von Lithium-Ionen-Batterien in Abhängigkeit der Einstellung einer bestimmten C-Rate nach Lagerung bei 60°C wurde bestimmt (siehe 4).
  • Der nachhaltige Regenerationseffekt der vorliegenden Erfindung für Lithium-Ionen-Batterien, die mit C-Raten <1C bei 23 °C zyklisiert wurden (C/8), wird durch Analyse bei anschließender Lagerung über 60 Tage bei 60 °C verdeutlicht.
  • Im Vergleich einer Lithium-Ionen-Batterie, die bei niedrigeren C-Raten von <1C bei 23 °C regeneriert wurde, zu einer Lithium-Ionen-Batterie, die bei einer höheren C-Rate von 1C bei 23 °C regeneriert wurde, zeigt die Regenerierung bei niedrigeren C-Raten und niedriger Temperatur einen länger andauernden Regenerationseffekt, also einen nachhaltigeren Effekt, der bei einer Lagerung 60 °C über mindestens 60 Tage anhält. Der Unterschied der Entladekapazität einer bei niedrigen C-Raten und niedriger Temperatur regenerierten Zelle vergrößert sich im Laufe der Lagerung im Vergleich zu einer bei höheren C-Raten und niedriger Temperatur regenerierten Zelle.
  • Beispiel 5
  • Der Kapazitätsverlauf von Lithium-Ionen-Batterien in Abhängigkeit der Einstellung einer bestimmten C-Rate und der Temperatur wurde bestimmt (siehe 5).
  • Nach der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien bei 60 °C verlieren diese an Entladekapazität. Eine anschließende Zyklisierung der Lithium-Ionen-Batterien führt zu einem Anstieg der Entladekapazität, also einem SOH-Anstieg.
  • Je geringer die C-Rate, desto mehr Zyklen werden benötigt, um das Maximum des Kapazitätsanstiegs zu erreichen (C/8 > 1 C > 4 C). Je höher die Temperatur bei der Zyklisierung, desto schneller wird das Maximum erreicht. Nach Überschreiten des Maximums tritt je nach C-Rate eine verstärkte Alterung auf, wobei Lithium-Ionen-Batterien durch eine Zyklisierung bei hohen C-Raten schneller altern. Dieser Effekt ist bei einer anschließenden Lagerung bei 60 °C über 14 Tage weiterhin vorhanden.
  • Eine bei 60 °C und einer niedrigen C-Rate von C/8 zyklisierte Lithium-Ionen-Batterie kann durch anschließende Zyklisierung bei einer niedrigen C-Rate von C/8 bei niedrigerer Temperatur von 23 °C weiter regeneriert werden.
  • Beispiel 6
  • Der Kapazitätsverlauf einer Lithium-Ionen-Batterie in Abhängigkeit der Einstellung eines bestimmten SOC wurde bestimmt (siehe 6).
  • Die kalendarische Alterung einer Lithium-Ionen-Batterie mit einem Ladezustand (SOC) von 95 % wurde mit der kalendarischen Alterung der Lithium-Ionen-Batterie nach Erniedrigung auf einen Ladezustand (SOC) von 30 % bei 60 °C verglichen.
  • Es zeigte sich, dass die Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien abhängig vom eingestellten SOC ist. Je größer die SOC-Differenz im Vergleich zum Ausgangswert ist, desto stärker ist die Regeneration der Entladekapazität, also des SOHs. Ein geringerer SOC bei der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht eine bessere Regeneration der Entladekapazität.
  • 6 zeigt, dass die Entladekapazität einer einen SOC von 95 % aufweisenden Lithium-Ionen-Batterie dadurch erhöht werden kann, dass diese auf einen SOC von 30 % eingestellt wird. Das Reduzieren eines ersten Ladezustands einer Lithium-Ionen-Batterie auf einen zweiten Ladezustand, der deutlich unter dem ersten Ladezustand liegt, erhöht also die Entladekapazität.
  • Darüber hinaus zeigt 6, dass während der Lagerung der Abfall der Entladekapazität einer bei einem niedrigeren SOC gelagerten Lithium-Ionen-Batterie deutlich geringer ausfällt, als einer bei einem höheren SOC gelagerten Lithium-Ionen-Batterie.
  • Durch die Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien bei einem niedrigen SOC wird also eine Regeneration der Lithium-Ionen-Batterien erzielt. Die Auswahl eines niedrigen SOC bei der Regeneration von Lithium-Ionen-Batterien verstärkt den Effekt der Regeneration durch Lagerung bei niedrigen Temperaturen und/oder der Zyklisierung bei niedrigen C-Raten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2003/0008213 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Regeneration einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei die Temperatur der Batterie um mindestens 5 °C von einer ersten Batterietemperatur auf eine zweite Batterietemperatur reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Batterietemperatur 30 bis 75 °C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Batterietemperatur 5 bis 30 °C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1C ausgesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der Temperaturreduktion einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1C ausgesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithium-Ionen-Batterie über einen Zeitraum von 2 bis 60 Tagen bei der zweiten Batterietemperatur gelagert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithium-Ionen-Batterie über einen Zeitraum von 2 bis 60 Tagen einer Zyklisierung mit einer C-Rate von <1C ausgesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von C/2 bis C/16 ausgesetzt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithium-Ionen-Batterie einer Zyklisierung mit einer C-Rate von < 1C bis >C/2 ausgesetzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie mindestens einmal um mindestens 1 %-Punkt auf einen zweiten Ladezustand reduziert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie vor, während und/oder nach der Temperaturreduktion mindestens einmal um mindestens 1 %-Punkt reduziert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Ladezustand (SOC) der Lithium-Ionen-Batterie maximal 50 % beträgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Entladekapazität der Lithium-Ionen-Batterie um mindestens 1 %-Punkt erhöht wird.
  14. Lithium-Ionen-Batterie regeneriert nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Lithium-Ionen-Batterie aufweisend ein Batterie-Managementsystem eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030008213A1 (en) 2001-05-23 2003-01-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Method for manufacturing lithium battery
DE102013218078A1 (de) * 2013-09-10 2015-03-12 Volkswagen Aktiengesellschaft Neues Regenerationsverfahren für Lithium-Ionen-Batterien

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