Experimentelle mechanische Untersuchung der Eigenschaften von Lithium-Ionen Batterien

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch nicht zerstörerische mechanische Methoden, die sich verändernden mechanischen Eigenschaften einer Lithium-Ionen Batterie (LIB) während eines Lade- und Entladevorgangs zu bestimmen und aufzuzeigen. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene nicht zerstörerische experimentelle Versuche durchgeführt, um einerseits den homogenisierten Elastizitätsmodul (E-Modul) und andererseits die Time-of-Flight (TOF) einer LIB zu bestimmen. Dazu wird ein Versuchsaufbau zur Bestimmung des homogenisierten E-Moduls errichtet. Die wesentliche Grundannahme, welche bei diesem Versuch getroffen wurde, ist, dass es sich bei der LIB um einen homogenen, isotropen Körper handelt. Diese ist notwendig, um den dadurch homogenen E-Modul anhand des Versuchsaufbaus bestimmen zu können. Dieser ist ähnlich zu einem 2-Punkt-Biegeversuch aufgebaut, in welchem die Batterie, wie ein einseitig eingespannter Kragträger, befestigt wird. Konstante Gewichte werden auf der freien Seite der Batterie platziert und die Durchbiegung mittels eines Triangulationssensors gemessen. Die Messungen werden mit verschiedenen Gewichten, verschiedenen Ladezuständen und unterschiedlichen Laderaten durchgeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Verhalten der Batterie für reale Bedingungen bestmöglich nachgebildet wird. Anhand der gemessenen Durchbiegung kann der homogenisierte E-Modul einer LIB berechnet werden. Bei dem zweiten Versuch handelt es sich um Ultraschallmessungen, bei welchen zwei Piezoelemente auf der LIB befestigt werden. Mit Hilfe dieser Messung wird die TOF an der LIB bestimmt, um somit ebenfalls die sich verändernden mechanischen Eigenschaften, während des Zyklierens aufzuzeigen. Dafür werden auch die Zustände wie Ladezustand und Lade- bzw. Entladerate variiert. Einige Messungen der TOF an LIB sind bereits in der Literatur zu finden, jedoch sind diese auf ein kleines Frequenzspektrum des gesendeten Signals beschränkt. Deswegen beschäftigt sich diese Arbeit auch mit der am besten geeigneten Frequenz für die ausgewählten Piezoelemente. Herkömmliche Verfahren, welche man für die Bestimmung des E-Moduls einsetzt, sind bei einer LIB aufgrund der Gefahren (Brand, Austritt von Gasen), nicht durchführbar. Aus diesem Grund, wurde eine Finite Elemente Methoden (FEM) Simulation durchgeführt. Diese widerspiegelt den Versuchsaufbau der TOF-Messung. Das Ziel dieser Simulation ist es, die Wellenausbreitung in der LIB zu simulieren, um somit die TOF bestimmen zu können. Als Simulationsparameter wurden hierfür die zuvor bestimmten Werte des homogenisierten E-Moduls verwendet. Dieser ist ein notwendiger mechanischer Parameter für diese Simulation. Durch den Vergleich der gemessenen und simulierten TOF ist es möglich, den bestimmten homogenisierten E-Modul zu validieren. Am Ende dieser Arbeit wurde nicht nur der homogenisierte E-Modul einer LIB bestimmt und validiert, sondern es entstand ebenfalls ein FEM-Modell, welches die Charakteristiken der TOF-Messungen bei zwei verschiedenen Stromraten nachbilden kann. Die Abweichungen zwischen der simulierten und gemessenen TOF betragen, abhängig von der Stromrate 13.3 % bzw. 25.8 %. Das erstellte FEM-Modell kann somit als Anhaltspunkt für zukünftige Messungen und auch als Ausgangspunkt für weitere Simulationen genutzt werden.

The goal of this work is to determine and visualize through non-destructive mechanical methods, the change of the mechanical properties of a lithium-ion battery (LIB) during a charge and discharge process. In this work, two different non-destructive experimental methods were performed to determine, on the one hand the homogenized Young’s modulus and on the other hand the time-of-flight (TOF) of a LIB. Therefore, a test setup was created to determine the homogenized Young’s modulus of a LIB. The essential assumption made in this experiment, is that the LIB consists of a homogeneous, isotropic material. This is necessary in order to be able to determine the therefore so-called homogenized Young’s modulus on the basis of this test setup. It is similar to a 2-point bending test in which the battery is fixed, by being clamped on one side, like a cantilever beam. On the unclamped side, weights are placed, which cause an elastic deflection of the LIB, which is constantly measured with a triangulation sensor, while the LIB is charged and discharged with different currents. This ensures that the behavior of the LIB is replicated as best as possible for real conditions. Based on these deflection measurements, the homogenized Young’s modulus of a LIB can be calculated. The second non-destructive approach is ultrasonic testing in which two piezo elements are mounted on the LIB. With this experimental setup it is possible to determine the TOF and to display the change of the mechanical properties during cycling. Also, in this experiment, the state of charge and the charge and discharge rate are varied. Measurements regarding the TOF on LIBs can already be found in literature, but these are limited to a small frequency spectrum of the transmitted signal. Therefore, one focus of this work was also to determine the most suitable attenuation frequency of the selected piezoelectric elements. Conventional methods, which are usually used to determine the Young’s modulus, are not feasible for a LIB due to safety reasons like gas evolution and fire. For this reason, a finite element method (FEM) simulation was performed. The aim of it is to visualize the wave propagation in the LIB in order to determine the TOF. For this purpose, the previously determined values of the homogenized Young’s modulus were used as simulation parameters. This is a necessary mechanical parameter for this simulation. By comparing the measured and simulated TOF, it is possible to validate the experimentally determined homogenized Youngs’s modulus. At the end of this work, not only the homogenized Young’s modulus of a LIB has been determined and validated, but also a FEM model has been developed, which can recreate the characteristics of the TOF measurements. The mean deviation between the measured and simulated TOF, dependent on the used current, are 13.3 % and 25.8 % This model can be used as a reference for future measurements and as a starting point for further simulations.