Loading…
Electrochemical impedance spectroscopy as an analytical tool for dynamic charge acceptance prediction
Bauknecht, Sophia
Electrochemical storage systems support a wide range of applications in modern life. Particularly when aligning towards renewable energy sources batteries become indispensable. Batteries were utilized in automotive applications e.g. for starting, lighting, and ignition (SLI) purposes for many years. However, the recent push towards clean mobility and energy have changed the requirements. To accomplish the reduction of fuel consumption and CO2 emissions regenerative braking is utilized. Therefore, energy available during braking is stored within the SLI battery and can be used for starting the vehicle and on-board supply. However, this raises the necessity to significantly improve the SLI batteries. One of the most pressing issues is to enhance the dynamic charge acceptance (DCA), the batteries’ ability to store high amounts of energy in a very short amount of time. Typically used SLI batteries often have an insufficient DCA. By adding carbon additives to the negative electrode [1] an increase of up to three times higher DCA can be enabled [2]. However, extensive material screenings are needed to investigate different carbon additives. These are not carried out with mass produced batteries, but with smaller laboratory test cells, e.g., 2V, 4.5Ah [1]. The improvement is hampered by the lack of predictability between small test cells and batteries under realistic long-term vehicle usage conditions. Therefore, new testing procedures have to be considered.
Within this work several measurement test procedures for DCA determination have been defined, tested, evaluated, and compared with each other. Influencing factors on the DCA, such as the state of charge, prior usage, electrolyte concentration, temperature, and carbon additives were investigated with these test procedures. Furthermore, DCA results of various cell layouts were correlated with battery level tests. Thereby, a best practice methodology for cell-level DCA measurements was derived. However, these measurement test procedures for DCA determination are time consuming. Therefore a different approach using
Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was investigated. EIS is a powerful characterization technique to identify electrochemical processes, materials, device, and reveal transient behaviour of systems. The influence of different carbon additives, various cell layouts, and different working points, such as state of charge, or prior usage, were systematically studied using EIS. A correlation between material properties found in the parameters of the EIS measurements and the DCA could be found. Resulting in the development of a fast prediction method for DCA using EIS, which can decrease the testing time from several weeks down to less than a day.
Elektrochemische Energiespeichersysteme werden überall für verschiedenste Anwendungen genutzt. Insbesondere im Hinblick auf die Energiewende und durch die Verwendung von erneuerbare Energiequellen steigen die Anforderungen und die Anzahl der Einsatzgebiete von Batterien. Gerade im Verkehrssektor sind Batterien ein unverzichtbares Instrument um die Energiewende durchzuführen. Batterien werden bereits seit vielen Jahre als Starterbatterien in Fahrzeugen verwendet. Die jüngsten Bestrebungen hin zu sauberer Mobilität haben jedoch auch die Anforderungen an diese Batterien verändert. Um den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu reduzieren, wird beispielsweise das rekuperative Bremsen eingesetzt. Dabei wird die beim Bremsen verfügbare Energie in der Starterbatterie gespeichert und kann anschließend wieder für das Anfahren und die Bordversorgung verwendet werden. Dies erfordert jedoch eine erhebliche Verbesserung der Starterbatterien. Die Verbesserung der Ladeakzeptanz, d.h. die Fähigkeit der Batterien, große Mengen an Energie in kürzester Zeit zu speichern, stellt dabei eines der dringendsten Probleme dar. Aktuell verwendete Starterbatterien weisen oft eine unzureichende Ladeakzeptanz, für die Nutzung des rekuperativen Bremsens, auf. Doch durch die Zugabe von Kohlenstoffen an der negativen Elektrode [1] kann eine bis zu dreifach höhere Ladeakzeptanz erreicht werden [2]. In der Entwicklung dieser Batterien sind umfangreiche Materialtests erforderlich, um möglichst viele verschiedene Kohlenstoffzusätze zu untersuchen. Diese Tests werden mit kleinen Labortestzellen, z.B. 2 V, 4.5Ah durchgeführt [1]. Die Verbesserung der Starterbatterien wird aber durch die mangelnde Vergleichbarkeit zwischen kleinen Labortestzellen und ganzen Batterien unter realistischen Langzeitbedingungen im Fahrzeugbetrieb erschwert. Daher müssen neue Testverfahren in Betracht gezogen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere Messverfahren zur Bestimmung der Ladeakzeptanz definiert, getestet, bewertet und miteinander verglichen. Einflussfaktoren auf die Ladeakzeptanz, wie der Ladezustand, die vorherige Nutzung, die Elektrolytkonzentration, die Temperatur und verschiedene Kohlenstoffzusätze, wurden mit Hilfe dieser Testverfahren untersucht. Darüber hinaus wurde die Ladeakzeptanz verschiedener Testzellen und -layouts mit Starterbatterien verglichen. Die Messverfahren zur Bestimmung der Ladeakzeptanz sind jedoch zeitaufwändig. Daher wurde ein weiterer Ansatz mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) verfolgt.
EIS ist eine leistungsstarke Charakterisierungstechnik zur Identifizierung von elektrochemischen Prozessen, Materialien und zur Bestimmung des transienten Verhaltens von Systemen. Der Einfluss verschiedener Kohlenstoffzusätze, Testzelllayouts und Betriebspunkte, wie z.B. der Ladezustand oder die vorherige Nutzung, wurde systematisch mittels EIS untersucht. Dabei konnte eine Korrelation zwischen den Materialeigenschaften, die in den Parametern der EISMessungen gefunden wurden, und der Ladeakzeptanz von Starterbatterien festgestellt werden. Dies führte zur Entwicklung einer schnellen Vorhersagemethode für die Ladeakzeptanz mittels EIS, die die Testzeit von mehrerenWochen auf weniger als einen Tag verkürzen kann.
