Blog über Daten über ein Jahrzehnt zeigen Fehler in Alterungsmodellen für Lithium-Ionen-Batterien

Moderne Lithium-Ionen-Batterien, die Kraftwerke hinter Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen, stehen während ihrer überwiegend inaktiven Lebensdauer einem unsichtbaren Gegner gegenüber. Während diese Batterien etwa 90 % ihrer Existenz in der Speicherung verbringen – beispielsweise in geparkten Elektrofahrzeugen – verschlechtern sie sich durch einen Prozess, der als Kalenderalterung bezeichnet wird, bei dem parasitäre Reaktionen allmählich die Kapazität verringern und den Widerstand erhöhen.

Das Verständnis der Kalenderalterung stellt eine einzigartige zeitliche Herausforderung dar – aussagekräftige Daten zur Verschlechterung bei Raumtemperatur erfordern jahrelange Datenerhebung. Wissenschaftler umgehen dies typischerweise, indem sie Daten bei extremen Temperaturen über kürzere Zeiträume sammeln und dann durch beschleunigte Alterungsmodelle extrapolieren. Diese Modelle basieren traditionell auf zwei grundlegenden Prinzipien: der t ^0.5 Zeitabhängigkeit (was das diffusionsbegrenzte Wachstum der Festelektrolyt-Grenzschicht widerspiegelt) und die Temperaturabhängigkeit vom Arrhenius-Typ.

Während zahlreiche Studien diese traditionellen Modelle zunächst für verschiedene Batteriechemie-Typen unterstützten – einschließlich Graphit-Anoden gepaart mit Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Kathoden – zeigen neue Forschungsergebnisse erhebliche Abweichungen. Einige Batterien weisen alternative Potenzgesetz-Zeitabhängigkeiten (t ^b ) auf, während andere das Arrhenius-Temperaturverhalten beibehalten, aber die t ^0.5 -Beziehung aufgeben. Diese Diskrepanzen deuten auf komplexere Alterungsmechanismen hin, die möglicherweise das Wachstum der Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche, die Auflösung von Übergangsmetallen oder die Korrosion von Kupferstromkollektoren umfassen.

Die meisten Studien zur Kalenderalterung erstrecken sich über Monate bis fünf Jahre, doch Batterien in der realen Welt benötigen eine Leistung über Jahrzehnte. Jüngste Langzeitstudien zeigen wichtige Erkenntnisse:

• Passive Anodenüberhangseffekte nehmen nach einem Jahr ab und machen linearen Alterungstrends Platz
• Potenzgesetzexponenten ändern sich im Laufe der Zeit dramatisch, ähnlich wie „Kniepunkte“, die bei zyklischer Alterung beobachtet werden
• Arrhenius-Abweichungen treten erst über längere Zeiträume auf

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Modelle, die mit kurzfristigen Daten validiert wurden, die langfristige Verschlechterung erheblich falsch darstellen könnten.

Eine bahnbrechende Studie, die 232 Batterien in acht Typen, vier Chemikalien und fünf Herstellern über 13 Jahre analysierte, zeigt mehrere bahnbrechende Schlussfolgerungen:

• Die Temperaturabhängigkeit variiert unerwartet: Erhebliche Arrhenius-Abweichungen treten selbst bei ähnlichen Batterien desselben Herstellers auf, was möglicherweise jahrelange Vorhersagefehler für die Alterung bei Raumtemperatur verursacht.
• Die Zeitabhängigkeit entwickelt sich: Die idealisierte t ^0.5 -Beziehung weicht weniger selbstpassivierenden Werten, mit erheblichen Variationen zwischen den Chemikalien.
• Unterschiedliche Alterungspfade: Kapazitäts- und Leistungsabfall folgen unterschiedlichen, unkorrelierten Verläufen.
• Individualität zählt: Zell-zu-Zell-Variationen machen erhebliche Unterschiede bei der Verschlechterung aus, was die Notwendigkeit einer Einzelzellenanalyse neben den Populationstrends unterstreicht.

Diese Ergebnisse erfordern eine grundlegende Neubewertung von Batteriemodellen und -managementstrategien. Zukünftige Forschungsrichtungen sollten Folgendes priorisieren:

• Entwicklung von Alterungsmodellen der nächsten Generation, die mehrere Alterungsmechanismen und maschinelles Lernen integrieren
• Optimierung von Batteriemanagementsystemen basierend auf einem verfeinerten Verständnis der Kalenderalterung
• Verbesserung der Fertigungskonsistenz zur Reduzierung von Zell-zu-Zell-Variationen
• Erforschung neuer Materialien und Designs mit verbesserter Langlebigkeit

Da die Welt in Richtung Elektrifizierung und Energiespeicherung aus erneuerbaren Energien übergeht, wird die genaue Vorhersage und Minderung der Batteriealterung immer wichtiger. Diese Forschung liefert die Grundlage für die Entwicklung haltbarerer, zuverlässigerer Energiespeicherlösungen, um unsere nachhaltige Zukunft anzutreiben.