DE102018001502A1 - Method of forming a thin solid electrolyte interface during the formation of a rechargeable, electrochemical energy storage cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer dünnen Solid Electrolyte Interphase bei einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle, wobei während wenigstens eines Formierungsvorgangs der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle eine Mehrzahl an Ultraschall-Pulsen in die wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle appliziert wird.The invention relates to a method for forming a thin solid electrolyte interphase in a rechargeable, electrochemical energy storage cell, wherein during at least one forming operation of the rechargeable, electrochemical energy storage cell, a plurality of ultrasound pulses in the rechargeable, electrochemical energy storage cell is applied.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer dünnen Solid Elektrolyte Interface während der Formierung einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle.The invention relates to a method for forming a thin solid electrolyte interface during the formation of a rechargeable, electrochemical energy storage cell.
Bekanntermaßen weisen derzeit verfügbare, wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzellen von Sekundärbatterien (die nachfolgend der Einfachheit halber oftmals nur als „Batteriezellen“ bezeichnet werden) durch unterschiedliche chemische und physikalische Prozesse ein kalendarisches und/oder zyklisches Alterungsverhalten auf, welches sich im Laufe der Lebensdauer einer Sekundärbatterie typischerweise durch einen Kapazitätsverlust, eine geringere Leistung, einen höheren Innenwiderstand (schlechterer Wirkungsgrad), mehr Abwärme und ggf. auch Gasbildung bemerkbar macht.As is known, currently available, rechargeable, electrochemical energy storage cells of secondary batteries (which are often referred to simply as "battery cells" for simplicity) have different calendrical and / or cyclic aging behaviors through different chemical and physical processes, typically over the life of a secondary battery by a loss of capacity, a lower power, a higher internal resistance (poorer efficiency), more waste heat and possibly also gas formation noticeable.
Bei einer Sekundärbatterie mit einer Mehrzahl derartiger Energiespeicherzellen, wie sie bspw. zum Betrieb von wenigstens einem elektrischen Antriebsmotor von (zumindest auch) elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugen verwendet wird (sog. Traktionsbatterie), können sich durch das Alterungsverhalten neben einem kundenwahrnehmbaren Nachlassen der Reichweite auch Probleme in Bezug auf die Lebensdauer einer Sekundärbatterie ergeben, für die typischerweise ein Garantiezeitraum von 8 Jahren und/oder eine Fahrleistung von 160.000 km gefordert werden.In a secondary battery having a plurality of such energy storage cells, as used, for example, for operating at least one electric drive motor of (at least) electric motor drivable vehicles (so-called. Traktionsbatterie), can be due to the aging behavior in addition to a customer perceived slackening of the range and problems Refer to the life of a secondary battery, typically requiring a warranty period of 8 years and / or a mileage of 160,000 km.
Daher werden derzeit umfangreiche Anstrengungen dahin unternommen, die zeitliche und zyklische Alterung von Batteriezellen von Sekundärbatterien zu verlangsamen. Dies gilt sowohl für bereits am Markt etablierte Sekundärbatterietypen, wie etwa die - derzeit dominierende - Lithium-Ionen-Batterie, als auch für solche Sekundärbatterietypen, die sich noch im Bereich der Forschung und Entwicklung befinden, wie etwa Sekundärbatterietypen auf Basis von - zu Lithium alternativen - Metallen, wie Magnesium, Natrium oder Aluminium.Therefore, extensive efforts are currently being made to slow the temporal and cyclical aging of battery cells of secondary batteries. This applies both to secondary battery types already established on the market, such as the - currently dominant - lithium-ion battery, as well as those secondary battery types that are still in the field of research and development, such as secondary battery types based on - lithium alternative - metals, such as magnesium, sodium or aluminum.
Die Batteriezellen von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien enthalten bekanntermaßen wenigstens eine negative Elektrode (Anode) und eine positive Elektrode (Kathode), die mittels eines für Lithium-Ionen durchlässigen Separators voneinander getrennt sind. Die Batteriezelle weist weiter einen Elektrolyten auf, der, sofern es sich um einen konventionellen Elektrolyten handelt, bei den für den Betrieb der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie vorgesehenen Temperaturen flüssig ist. Jede der Elektroden ist mit wenigstens einem sog. Stromsammler verbunden, der durch die Wandung des hermetisch gegen die Umwelt abgeschlossenen Batteriezellen-Gehäuses reicht und zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle dient.The battery cells of lithium ion secondary batteries are known to contain at least one negative electrode (anode) and one positive electrode (cathode) separated from each other by means of a lithium ion permeable separator. The battery cell further comprises an electrolyte which, if it is a conventional electrolyte, is liquid at the temperatures intended for operation of the lithium-ion secondary battery. Each of the electrodes is connected to at least one so-called current collector, which extends through the wall of the hermetically sealed against the environment battery cell housing and is used for electrical contacting of the battery cell.
Die Anode einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht oftmals aus einem graphitierten Kohlenstoff (Graphitmaterial), in den beim Vorgang des Ladens der wiederaufladbaren Batteriezelle Lithium-Ionen interkalieren. Bei einem Entladevorgang deinterkalieren die Lithium-Ionen und wandern durch den Separator hindurch zurück zur Kathode, bei der es sich bspw. um ein Li1-xCoO2-Material handeln kann.The anode of a rechargeable lithium-ion battery cell often consists of a graphitized carbon (graphite material) in which intercalate lithium ions in the process of charging the rechargeable battery cell. During a discharge process, the lithium ions deintercalate and migrate through the separator back to the cathode, which may, for example, be a Li 1-x CoO 2 material.
Nach dem derzeitigen Kenntnisstand spielen für die Alterung der Batteriezellen (unter Annahme einer der Spezifikation entsprechenden Verwendung) insbesondere zwei Phänomene eine entscheidende Rolle.According to the current state of knowledge, in particular two phenomena play a decisive role for the aging of the battery cells (assuming a use according to the specification).
So sind für die Alterung zum einen die verwendeten Elektrolyte verantwortlich, bei denen im Laufe der Zeit Zersetzungserscheinungen zu beobachten sind. Diese Zersetzungserscheinungen beruhen bspw. bei einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle auf einer Reaktion von Lithium mit den oftmals als Elektrolytbestandteil verwendeten organischen Carbonaten, wodurch sich irreversibel Lithium-Carbonat bildet.Thus, for the aging on the one hand responsible for the electrolytes responsible, which are observed over time decomposition phenomena. These decomposition phenomena are based, for example, in a rechargeable lithium-ion battery cell on a reaction of lithium with the organic carbonates often used as the electrolyte component, which irreversibly forms lithium carbonate.
Neben dieser irreversiblen Verarmung an Lithium-Ionen, die nicht mehr für die Lade- und Entladevorgänge innerhalb der wiederaufladbaren Batteriezelle zur Verfügung stehen und daher eine Abnahme der elektrochemischen Leistungsfähigkeit bewirken, spielt die sog. Solid Elektrolyte Interface (SEI) bzw. die SEI-ähnliche Schicht und deren Veränderung im Laufe der wiederholten Lade- und Entladezyklen eine wichtige Rolle bei der Alterung.In addition to this irreversible depletion of lithium ions, which are no longer available for the charging and discharging processes within the rechargeable battery cell and therefore cause a decrease in electrochemical performance plays the so-called Solid Electrolyte Interface (SEI) or the SEI-like Layer and its change in the course of repeated charging and discharging cycles an important role in aging.
Wie Fachleuten bekannt ist, ist die Ausbildung einer stabilen SEI für einen ausreichend sicheren und langlebigen Betrieb von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen (wie auch für andere wiederaufladbare Metall-Ionen-Batteriezellen, in denen sich eine SEI oder eine SEI-ähnliche Schicht ausbildet) erforderlich. Bei wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen wird diese SEI gebildet durch eine Zersetzung von Bestandteilen des Elektrolyten in Gegenwart von Lithium. Die SEI stellt eine gelartige Schicht auf den Elektrodenoberflächen dar und sorgt so, angeordnet zwischen Elektrodenoberflächen und Elektrolyt - ähnlich wie eine Eloxal-Schicht auf Aluminium - für eine „Passivierung“ der Elektrodenoberflächen und ermöglicht damit einen ordnungsgemäßen Betrieb entsprechender wiederaufladbarer, elektrochemischer Energiespeicherzellen über einen zumindest ausreichend langen Zeitraum.As is known to those skilled in the art, the formation of a stable SEI for a sufficiently safe and durable operation of rechargeable lithium-ion battery cells (as well as other rechargeable metal-ion battery cells in which an SEI or SEI-like layer is formed) required. In rechargeable lithium-ion battery cells, this SEI is formed by a decomposition of constituents of the electrolyte in the presence of lithium. The SEI constitutes a gelatinous layer on the electrode surfaces and thus, arranged between electrode surfaces and electrolyte - similar to an anodized aluminum layer - ensures "passivation" of the electrode surfaces and thus enables proper operation of corresponding rechargeable electrochemical energy storage cells via at least one sufficiently long period.
Die Zusammensetzung und Dicke einer SEI oder einer SEI-ähnlichen Schicht ist eine Folge der jeweils angewandten Lade- und Entladeverfahren. Zwar baut sich ein Teil einer SEI oder der SEI-ähnlichen Schicht bei jedem Zyklus auf und wieder ab, tendenziell nimmt die Dicke einer SEI oder SEI-ähnlichen Schicht jedoch mit zunehmender Lebensdauer (zyklisch und kalendarisch, insbesondere jedoch kalendarisch) zu.The composition and thickness of an SEI or SEI-like layer is a consequence of the charging and discharging methods used. Although a part of an SEI or the SEI However, the thickness of an SEI or SEI-like layer tends to increase with increasing lifetime (cyclic and calendar, but especially calendar-wise).
In die SEI wird ein nicht unerheblicher Anteil an Lithium-Ionen einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle eingelagert. Mit zunehmender Dicke der SEI steigt auch die Menge an eingelagerten Lithium-Ionen, die damit für eine Speicherung/Abgabe von elektrischer Energie nicht mehr zu Verfügung steht. Entsprechendes gilt auch für die SEI oder von SEI-ähnlichen Schichten von anderen, wiederaufladbaren, elektrochemischen Batteriezellen, bei denen etwa Magnesium, Natrium oder Aluminium und/oder bei denen alternative Elektrodenmaterialien verwendet werden.The SEI stores a not inconsiderable amount of lithium ions in a rechargeable lithium-ion battery cell. As the thickness of the SEI increases, so does the amount of stored lithium ions, which is thus no longer available for storage / release of electrical energy. The same applies to the SEI or SEI-like layers of other, rechargeable, electrochemical battery cells in which, for example, magnesium, sodium or aluminum and / or in which alternative electrode materials are used.
Unterschreitet die Menge an zur Verfügung stehenden Lithium-Ionen in wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen einen vorgegebenen Wert, ist also ein -je nach Anwendungszweck möglicherweise unterschiedlicher - vorgegebener unterer Grenzwert für die tatsächlich zur Verfügung stehende Kapazität einer daraus gebildeten Sekundärbatterie erreicht, ist die Sekundärbatterie auszutauschen, da davon ausgegangen wird, dass die Sekundärbatterie das Ende ihrer für den jeweiligen Anwendungszweck spezifizierten Lebensdauer erreicht hat.If the amount of available lithium ions in rechargeable lithium-ion battery cells falls below a predetermined value, ie if a different lower limit is given for the actually available capacity of a secondary battery formed therefrom, depending on the intended use, the secondary battery is reached since it is assumed that the secondary battery has reached the end of its specified life for the particular application.
Vor diesem Hintergrund wäre es wünschenswert, den anfänglichen Formierungsvorgang einer Batteriezelle so durchführen zu können, dass sich dabei eine zwar stabile aber möglichst dünne SEI ausbildet, die so wenig wie möglich der in der Batteriezelle vorhandenen Lithium-Ionen binden kann.Against this background, it would be desirable to be able to carry out the initial forming process of a battery cell in such a way that a stable but very thin SEI is formed, which can bind as little as possible of the lithium ions present in the battery cell.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous developments of the method are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ausbildung einer dünnen Solid Elektrolyte Interphase (SEI) bei einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle vorgeschlagen, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass während wenigstens eines Formierungsvorgangs der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle eine Mehrzahl an Ultraschall-Pulsen in die wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle appliziert wird.According to the invention, a method for forming a thin solid electrolyte interphase (SEI) in a rechargeable, electrochemical energy storage cell is proposed, wherein the method is characterized in that during at least one forming operation of the rechargeable electrochemical energy storage cell a plurality of ultrasonic pulses in the rechargeable, electrochemical Energy storage cell is applied.
Bekanntermaßen laufen in wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen, wie etwa in wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen während der ersten Lade- und Entladezyklen (Formierungszyklen) Formierungsprozesse ab, die zum Aufbau der sogenannten Solid Elektrolyte Interphase führen. Soweit in der vorliegenden Anmeldung von einem „Formierungsvorgang“ gesprochen wird, so ist darunter ein solcher erster Ladevorgang oder Entladevorgang zu verstehen.It is known that in rechargeable, electrochemical energy storage cells, such as in rechargeable lithium-ion battery cells during the first charge and discharge cycles (formation cycles) from forming processes that lead to the construction of the so-called solid electrolyte interphase. As far as in the present application of a "Formierungsvorgang" is spoken, it is to be understood as such a first charging or discharging process.
Die erfindungsgemäße Applikation von Ultraschall-Pulsen kann somit in beliebiger Kombination bei/während einem, mehreren oder allen der ersten Ladevorgänge und/oder bei/während einem, mehreren oder allen der ersten Entladevorgänge durchgeführt werden.The application of ultrasound pulses according to the invention can thus be carried out in any combination during / during one, several or all of the first loading operations and / or during / during one, several or all of the first unloading operations.
Wie von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung überraschend herausgefunden wurde, kann das Ziel der Herstellung einer dünnen SEI, die so wenig wie möglich Lithium binden kann, bzw. das Ziel einer möglichst großen Verringerung des sogenannten „First Cycle Loss“ (d. h. der einmaligen und irreversiblen Abnahme der Kapazität) durch das erfindungsgemäße, ultraschallbasierte Verfahren erreicht werden.As surprisingly found by the inventor of the present invention, the goal of producing a thin SEI that can bind lithium as little as possible, or the goal of reducing as much as possible the so-called "first cycle loss" (ie the unique and irreversible Decrease in capacity) can be achieved by the ultrasonic-based method according to the invention.
In vorteilhafter Weise werden bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl an Ultraschall-Pulsen mit einer Länge im Bereich von jeweils 0,02 s bis 0,5 s appliziert. Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei den Ultraschall-Pulsen ein Ultraschall mit einer Frequenz im Bereich von 16 kHz bis 1000 MHz verwendet wird.Advantageously, in the method according to the present invention, a plurality of ultrasonic pulses having a length in the range of 0.02 s to 0.5 s are applied. It is also advantageous if ultrasound pulses use an ultrasound having a frequency in the range of 16 kHz to 1000 MHz.
Die Anzahl und Frequenz der Ultraschall-Pulse ist nicht besonders beschränkt. So können im Laufe des Verfahrens etwa mehrere Ultraschall-Pulse im Abstand von einer Minute in die wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle appliziert werden, oder zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf, dreizehn, vierzehn, fünfzehn, sechzehn, siebzehn, achtzehn, neunzehn, zwanzig oder mehr Ultraschall-Pulse pro Minute.The number and frequency of the ultrasonic pulses is not particularly limited. For example, in the course of the process, several ultrasound pulses can be applied to the rechargeable, electrochemical energy storage cell at intervals of one minute, or two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten, eleven, twelve, thirteen, fourteen, fifteen, sixteen, seventeen, eighteen, nineteen, twenty or more ultrasound pulses per minute.
Bei dem wenigstens einen Formierungsvorgang, bei dem das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wird, wird die wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle in vorteilhafter Weise im Bereich von 0,01 V/s bis 0,5 V/s, bevorzugt mit 0,1 V/s aufgeladen oder entladen, besonders bevorzugt mit 0,1 V/s aufgeladen.In the at least one forming operation using the method according to the present invention, the rechargeable electrochemical energy storage cell is advantageously in the range of 0.01 V / s to 0.5 V / s, preferably 0.1 V / s. s charged or discharged, more preferably charged at 0.1 V / s.
Wie vom Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden wurde, wird die SEI umso homogener und umso dünner, je langsamer die Formierung stattfindet. Bei den oben angegebenen 0,1 V/s handelt es sich um ein technisches Optimum. Auch bei Potential-Vorschub-Geschwindigkeiten von größer 0,1 V/s bis hin zu mehreren Volt pro Sekunde kann ein erfindungsgemäßer Effekt zumindest teilweise erhalten werden.As found by the inventor of the present invention, the slower the formation, the more homogeneous and thinner the SEI becomes. The above-mentioned 0.1 V / s is a technical optimum. Even at potential feed speeds of greater than 0.1 V / s up to several volts per second, an inventive effect can be at least partially obtained.
Insbesondere - jedoch nicht nur - bei prismatischen, wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen ist es von Vorteil, wenn pro wiederaufladbarer, elektrochemischer Energiespeicherzelle eine Mehrzahl an Ultraschall erzeugenden Einrichtungen verwendet wird, wobei die Mehrzahl an Ultraschall erzeugenden Einrichtungen bevorzugt gleichmäßig verteilt auf wenigstens einer Oberfläche der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle angeordnet sind.In particular - but not only - in prismatic, rechargeable, electrochemical Energy storage cells, it is advantageous if per rechargeable electrochemical energy storage cell, a plurality of ultrasound generating devices is used, wherein the plurality of ultrasound generating devices are preferably evenly distributed on at least one surface of the rechargeable electrochemical energy storage cell.
Durch die Verwendung einer Mehrzahl an Ultraschall erzeugenden Einrichtungen kann eine gleichmäßige Einkopplung der Ultraschall-Wellen in die wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle erreicht werden. Hierbei spielt die Symmetrie der Anordnung der Ultraschall erzeugenden Einrichtungen eine größere Rolle als die Abdeckung der Oberfläche der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle mit den Ultraschall erzeugenden Einrichtungen.By using a plurality of ultrasound generating devices, a uniform coupling of the ultrasonic waves into the rechargeable, electrochemical energy storage cell can be achieved. Here, the symmetry of the arrangement of the ultrasonic generating devices plays a greater role than the coverage of the surface of the rechargeable electrochemical energy storage cell with the ultrasonic generating devices.
Bspw. ist für eine großformatige Pouch-Zelle wie etwa einer HEA50 der Fa. LiTec, verbaut im Smart ED, mit einer Breite von 330 mm und einer Länge von 186 mm eine Anzahl von sechs piezoelektrischen, Ultraschall erzeugenden Einrichtungen (Piezo-Elementen, Piezo-Ultraschall-Generatoren) ausreichend.For example. For a large-sized pouch cell, such as a HEA50 from LiTec, installed in the Smart ED, with a width of 330 mm and a length of 186 mm, a number of six piezoelectric, ultrasound generating devices (piezo elements, piezo ultrasound Generators).
Bspw. können die einzelnen Piezo-Elemente bei einer Spannung von ca. 400 V mit einer Stromstärke von < 1 mA angeregt werden. Hierdurch spielt die eingekoppelte Wärme annähernd keine Rolle, während der sonochemische Einfluss auf die Bildung der SEI und SEI-ähnlicher Schichten während der Formierungsphase signifikant ist.For example. The individual piezo elements can be excited at a voltage of approximately 400 V with a current of <1 mA. As a result, the coupled-in heat plays almost no role, while the sonochemical influence on the formation of the SEI and SEI-like layers during the formation phase is significant.
Informationen zur Rolle und zum Einfluss von Wärme in der Formierungsphase können bspw. dem
Ein Vorteil der Verwendung von Ultraschall ist auch die Umgehung bisher erforderlicher Immersionsmedien wie bspw. Ölen. Es genügt vielmehr, ein (weiches) elastomeres Material zwischen Ultraschall erzeugender Einrichtung und dazu benachbarter Oberfläche der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle anzuordnen.An advantage of the use of ultrasound is also the circumvention of hitherto required immersion media, such as, for example, oils. Rather, it is sufficient to arrange a (soft) elastomeric material between the ultrasound generating device and the adjacent surface of the rechargeable, electrochemical energy storage cell.
Für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können alle Arten von Ultraschall erzeugenden Einrichtungen verwendet werden. In vorteilhafter Weise werden aber zur Erzeugung der Ultraschall-Pulse ein oder mehrere piezoelektrische, Ultraschall erzeugende Einrichtungen verwendet, wobei - wie oben bereits erwähnt - bevorzugt ein elastomeres Material zwischen einer jeden piezoelektrischen, Ultraschall erzeugenden Einrichtung und einer dazu benachbarten Wandung der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle angeordnet ist.For the method according to the present invention, all kinds of ultrasonic generating means may be used. Advantageously, however, one or more piezoelectric, ultrasonic generating devices are used to generate the ultrasonic pulses, wherein - as already mentioned above - preferably an elastomeric material between each piezoelectric, ultrasound generating device and an adjacent wall of the rechargeable, electrochemical energy storage cell is arranged.
Durch das Vorsehen von entsprechender Ultraschall-Sensorik und Auswertungsmöglichkeiten für die von der Ultraschall-Sensorik zur Verfügung gestellten Signale ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, durch Analyse von aus der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle austretenden Ultraschall-Wellen Informationen bezüglich des Benetzungsstatus von wenigstens einer Elektrode, der Porosität von wenigstens einer Elektrode, dem Alterungszustand von Separator und/oder Bindemittel, dem Batteriezustand (state of health, SOH), dem Ladungszustand (state of charge, (SOC)), etc., der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle zu gewinnen.By providing suitable ultrasound sensors and evaluation options for the signals provided by the ultrasound sensor system, it is also advantageously possible to obtain information regarding the wetting status of at least one electrode by analyzing ultrasound waves emerging from the rechargeable, electrochemical energy storage cell of obtaining the porosity of at least one electrode, the aging state of separator and / or binder, the state of health (SOH), the state of charge (SOC), etc., of the rechargeable electrochemical energy storage cell.
Werden bspw. mehrere piezoelektrische, Ultraschall erzeugende Einrichtungen verwendet, stehen die erhaltenen Informationen in räumlicher und zeitlicher Auflösung zur Verfügung. Damit existiert bspw. für die Darstellung der lonenwanderung im Material erstmals auch ein Verfahren, das ähnlich genaue Informationen liefern kann wie Neutron Depth Profiling, jedoch zu einem Bruchteil des Aufwandes (Kosten 1/150000, Zeit ca. 1/10).If, for example, several piezoelectric, ultrasound generating devices used, the information obtained in spatial and temporal resolution are available. Thus, for example, for the representation of the ion migration in the material for the first time, there is also a method that can provide information that is as accurate as Neutron Depth Profiling, but at a fraction of the effort (cost 1/150000, time approx. 1/10).
Somit kann eine sehr genaue Information über die Batteriezelle gewonnen werden. Ähnlich wie in der Geologie werden somit Informationen zum Materialaufbau, der Benetzung, der Porosität, der Alterung bspw. des Separators oder Binders (Aushärtung des Polymers), wie auch des Kohlenstoffgerüstes erhalten. Dies sind sehr wichtige Informationen für die Qualitätssicherung und diese können im Sinne eines „end-of-line“ Tests genutzt werden. Grundsätzlich kann durch die vorliegende Erfindung somit für jede Batteriezelle bzgl. Geometrie, Chemie, Alterung, Ladezustand etc. ein fingerabdruckähnliches Ultraschall-Muster erstellt werden.Thus, a very accurate information about the battery cell can be obtained. As in geology, information about the material structure, wetting, porosity, aging of, for example, the separator or binder (curing of the polymer), as well as the carbon skeleton are thus obtained. These are very important information for quality assurance and these can be used in the sense of an "end-of-line" test. In principle, therefore, a fingerprint-like ultrasound pattern can be created by the present invention for each battery cell with respect to geometry, chemistry, aging, state of charge, etc.
Bezüglich der Möglichkeiten zur Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Ultraschall-Transmission sei etwa der Artikel von
Piezoelektrische, Ultraschall erzeugende Einrichtungen zeichnen sich durch ihre flache Bauweise aus, so dass diese Einrichtungen nicht nur während der Formierung an der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle verbleiben können sondern auch in der fertigen Sekundärbatterie, ohne dass hierdurch ein nennenswerter Bauraum vonnöten wäre. Piezoelectric, ultrasonic generating devices are characterized by their flat design, so that these devices can not only remain during the formation of the rechargeable, electrochemical energy storage cell but also in the finished secondary battery, without this would require a significant amount of space.
Hierdurch ergibt sich - etwa bei einer automobilen Anwendung - die weitere vorteilhafte Möglichkeit, online, d. h. bspw. in einer Fahrzeugflotte Informationen zum realen Alterungsverhalten von wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen zu gewinnen. Zudem sind diese Informationen nutzbar für die Detektion von Li-Plating, frühzeitiger Exfoliation von Graphit (irreversible Schädigung). Technisch betrachtet können mit Hilfe der Informationen Kennfelder für die Nutzung entsprechender Batteriezellen optimiert werden bzgl. Ladegeschwindigkeit, Temperatur, Potentialfenster, Anwendungszweck, etc. Selbstverständlich können solche Informationen auch bei nichtautomobilen Anwendungen einer Sekundärbatterie - wie etwa bei deren Verwendung als stationäres Speichermedium für elektrische Energie - ermittelt und ausgewertet werden und es können entsprechende Optimierungen und Anpassungen vorgenommen werden.This results - for example in an automotive application - the further advantageous possibility online, d. H. For example, in a vehicle fleet to gain information on the real aging behavior of rechargeable, electrochemical energy storage cells. In addition, this information is useful for the detection of Li-plating, early exfoliation of graphite (irreversible damage). Technically, information can be optimized for the use of corresponding battery cells with respect to the charging speed, temperature, potential window, purpose of use, etc. Of course, such information even in nonautomobile applications of a secondary battery - such as when used as a stationary storage medium for electrical energy - determined and evaluated and it can be made corresponding optimizations and adjustments.
Die geringen Bauraumvolumina der Ausrüstung und die technisch einfachen Bauelemente, die in vergleichbaren Formen bspw. bereits in diversen Fahrzeugen eingesetzt werden (wie etwa Abstandssensoren u. ä.), ermöglichen einen kostengünstigen und technisch einfachen Einsatz.The small installation space volumes of the equipment and the technically simple components, which are already used in comparable forms, for example, in various vehicles (such as distance sensors and the like), enable cost-effective and technically simple use.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei jeder wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle angewandt werden, bei der aufgrund der verwendeten Zellchemie sich bei der Formierung eine SEI oder eine SEI-ähnliche Schicht ausbildet. In vorteilhafter Weise wird als wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzelle aber eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle, bevorzugt eine prismatische wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle verwendet.The method according to the present invention can be applied to any rechargeable electrochemical energy storage cell in which, due to the cell chemistry used, an SEI or an SEI-like layer is formed during the formation. In an advantageous manner, however, the rechargeable, electrochemical energy storage cell used is a rechargeable lithium-ion battery cell, preferably a prismatic rechargeable lithium-ion battery cell.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Artikel German et al., „Influence of temperature and upper cut-off voltage on the formation of lithium-ion cells“, Journal of Power Sources, 264 (2014) S. 100-107 [0028]Article German et al., "Influence of temperature and upper cut-off voltage on the formation of lithium-ion cells", Journal of Power Sources, 264 (2014) pp. 100-107 [0028]
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2020191396A1 (en) * | 2019-03-21 | 2020-09-24 | Feasible, Inc. | Systems and methods for acoustically assessing electrolyte wetting and distribution in a secondary battery |
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-
2018
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Artikel German et al., „Influence of temperature and upper cut-off voltage on the formation of lithium-ion cells", Journal of Power Sources, 264 (2014) S. 100-107 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2020191396A1 (en) * | 2019-03-21 | 2020-09-24 | Feasible, Inc. | Systems and methods for acoustically assessing electrolyte wetting and distribution in a secondary battery |
| US11600870B2 (en) | 2019-03-21 | 2023-03-07 | Liminal Insights, Inc. | Systems and methods for evaluating electrolyte wetting and distribution |
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