Batterijzwelling - Welke testmethode is het meest geschikt voor EV-batterijen?
Wanneer zakcellen en prismatische lithium-ion cellen verouderen, zetten ze uit (Batterijzwelling). Dit leidt tot een verhoogde druk in het batterijpakket en hindert de elektrische prestaties. Conventionele batterijbeheersystemen (BMS) detecteren deze druk of deze effecten niet, waardoor de ladingstoestand (SOC) en gezondheidstoestand (SOH) onnauwkeurig worden ingeschat naargelang de batterij veroudert.
De door ZwickRoell en MBTS ontwikkelde testbank zal de toekomstige ontwikkeling van batterijpakketten aanzienlijk verbeteren.
Video over batterijzwelling Actuele uitdagingen Video over het nieuw ontwikkelde testsysteemVergelijking klimaatkast vs. ZwickRoell / MBTS testbank Voordelen Contacteer ons
Focus op batterijtests: Veiligheid, efficiëntie, vooruitgang
Lithium-ion batterijen zijn sleutelcomponenten voor de elektrificatie van de transport- en mobiliteitssector. Onderzoek en ontwikkeling spelen naast een uitgebreide kwaliteitscontrole een sleutelrol bij de verdere ontwikkeling van de onderdelen voor batterijcellen, de batterijcellen zelf, de batterijmodules en volledige opslagsystemen onder hoogspanning. Daarom is het cruciaal voor vooruitgang om de batterijen te testen, de gebruikte materialen te karakteriseren, de eigenschappen van de tussenproducten te bepalen en het celgedrag te analyseren.
Naast mechanische tests op batterij-onderdlen zijn ook multifysische tests op cellen en celsystemen belangrijk. Ze verzekeren de operationele betrouwbaarheid en veiligheid in opslagsystemen met hoog voltage. Op deze manier kan het batterijgedrag gekarakteriseerd worden tijdens het laden en ontladen. Zo krijgen we waardevolle gegevens voor de verdere ontwikkeling van batterijbeheersystemen (BMS).
Actuele uitdagingen bij de ontwikkeling, productie en kwaliteitscontrole van lithium-ion batterijen
Bij LIB-technologie (lithium-ion batterijen) worden gewoonlijk zakcellen en prismatische cellen geschikt in batterijpakketten via cell-to-pack of cell-to-module configuraties. Om optimale elektrische prestaties te verzekeren wordt een bepaalde mechanische voordruk uitgeoefend tijdens de productie. Deze gecontroleerde druk is cruciaal, aangezien onvoldoende druk leidt tot verminderde capaciteit, lagere elektrische prestaties en versnelde veroudering. Anderzijds heeft een te hoge druk gelijkaardige negatieve effecten.
Mechanische druk is belangrijk voor de levenscyclus van het batterijpakket. De reden: De cellen zetten uit en krimpen tijdens het laad- en ontlaadproces. Dit proces wordt ook “ademen” genoemd. Na verloop van tijd treedt een graduele zwelling op (batterijzwelling) onder invloed van de veroudering. Deze veranderingen leiden tot een verhoogde interne druk in het batterijpakket, die kan oplopen tot boven de ideale gebruikscondities. Daarom is het precies bewaken van deze mechanische druk relevant en belangrijk voor de efficiëntie en levensduur van de batterij. Het is cruciaal hier aandacht aan te besteden bij het ontwerp van een batterijpakket om zo optimale condities te krijgen voor de cellen, bijvoorbeeld via het testen van een enkelvoudige cel [1, 2].
Er bestaat echter momenteel geen testsysteem dat zowel temperatuur als druk synchroon bewaakt en ook elektrische protocollen kan sturen. Daarom werd een nieuw testsysteem voor de karakterisatie van batterijcellen ontwikkeld.
Innovatief multifunctioneel testsysteem vs. de nieuwste oplossing met een klimaatkast
De synchrone sturing van temperatuur en druk tijdens gebruik van lithium-ion batterijen was tot nog toe moeilijk omwille van technische limieten. Klimaatkasten kunnen de temperatuur van de LIB enkel indirect sturen via de luchttemperatuur in de kamer. Daarnaast kan de mechanische druksturing enkel gebeuren met behulp van passieve systemen, aangezien een actief systeem een grotere klimaatkast zou vereisen en problemen zou veroorzaken met niet-optimale temperatuuromstandigheden.
Onderzoekers van ZwickRoell en MBTS ontwikkelden daarom een nieuwe methode waarmee de oppervlaktetemperatuur en de mechanische druk op zakcellen en prismatische cellen tijdens het laad- en ontlaadproces gestuurd of gemeten kan worden met hoge precisie. [3] Dit innovatieve systeem maakt het mogelijk mechanische, thermische en elektrische parameters precies te meten terwijl de effecten van temperatuur en druk op de prestaties geïsoleerd worden. Afbeelding 1 verklaart de technologische verschillen en voordelen van de nieuwe testtechnologie ten opzichte van klimaatkasten.
De drukplaten met actieve thermische conditionering zijn een door MBTS GmbH gepatenteerd systeem. Dit systeem oefent mechanische druk uit op de cel, terwijl het ook de oppervlaktetemperatuur van de cel stuurt. Het volledige thermomechanische systeem is volautomatisch voor snelle en precieze rapporten. Tegelijkertijd wordt de invloed van de gebruiker gereduceerd.
Nieuwe methode voor multifysische sensitiviteitsanalyse
In een recente studie door ZwickRoell en MBTS werd geprobeerd het effect van mechanische druk, temperatuur en ontlaadsnelheden op het vermogenverlies van lithium-ion zakcellen te kwantificeren. [2] Hiervoor werden LGe66 cellen ontladen bij verschillende C-snelheden, drukken en temperatuursomstandigheden. De resultaten leverden waardevolle inzichten voor optimalisatie van het ontwerp van batterijpakketten en voor het verzekeren van betrouwbaarheid op lange termijn van energie-opslagsystemen. De studie werd uitgevoerd onder gecontroleerde omstandgheden met drie temperaturen (5°C, 25°C en 45°C), vier drukniveau’s (0,2 MPa, 0,5 MPa, 0,8 MPa en 1,2 MPa) en drie ontlaadsnelheden (0,5°C, 1,5°C en 3,0°C).
De volgende bevindingen uit actuele wetenschappelijke studies werden bevestigd in dit onderzoek:
Verhoogde druk heeft een negatieve invloed op de prestaties. Hogere temperaturen verhogen dan weer de capaciteit. De mate waarin deze effecten een invloed hebben, varieert naargelang specifieke gebruikscondities. Bij een temperatuur van 5°C en een ontlaadsnelheid van 0,5°C resulteert een drukverhoging van 0,2 MPa tot 1,2 MPa bijvoorbeeld in een reductie van de ontlaadcapaciteit van 5,84 percent. De reductie bij 45°C zou slechts 2,17 percent bedragen. Op dezelfde manier resulteert een verhoging van de temperatuur van 25°C tot 45°C bij 0,5°C en 0,2 MPa in een verbetering van de ontlaadcapaciteit van 4,27 percent. Bij een hogere ontlaadsnelheid van 1,5°C leidt dezelfde temperatuursverhoging tot een aanzienlijke verhoging van de ontlaadcapaciteit van 43,04 percent.
Zoals te zien is in figuur 2, is er een verbinding tussen de ontlaadcapaciteit en de C-snelheid bij verschillende temperaturen en drukniveau’s. De drukverhoging veroorzaakt niet dezelfde capaciteitsafname zodra de C-snelheid en/of temperatuur veranderen. Dit wijst op een multifysische correlatie tussen deze parameters.
Tabel 1 toont de numerieke waarden van deze ontlaadcapaciteit voor alle geteste laadgevallen. Een interessante observatie is dat bij lage temperatuur (5°C) en hoge C-snelheid het effect van de druk verwaarloosbaar lijkt. De nominale ontlaadcapaciteit van de onderzochte cel is 66 Ah.
Deze resultaten illustreren de complexe en niet-lineaire interactie van temperatuur, druk en ontlaadsnelheid met de prestaties van lithium-ion batterijen. De resultaten benadrukken het belang van het actief sturen van de temperatuur en de druk tijdens gebruik van de batterij voor een optimale efficiëntie en betrouwbaarheid.
Het nieuw ontwikkelde testsysteem maakt het mogelijk uiterst nauwkeurige correlaties te kwantificeren tussen de C-snelheid, de druk en de temperatuur. De implicaties voor de ontwikkeling en het beheer van batterijpakketten zijn enorm, zoals hieronder uitgelegd.
Technische voordelen voor het batterijbeheersysteem
Met de bijkomende inzichten uit de tests op enkelvoudige cellen, ligt de focus voor ontwikkeling van opslagsystemen met hoog voltage nu bij het nastreven van de optimale druk in het cellenpakket. Dit vermijdt verlies van prestaties en veroudering. Door de zwelling van de batterij blijven echter drukfluctuaties optreden. Het drukgedrag dat veroorzaak wordt door dit fenomeen kan vooraf berekend worden tijdens de ontwikkelingsfase en overgebracht worden naar het BMS. Met deze benadering zijn geen bijkomende druksensoren nodig in het batterijpakket.
De acties van het BMS worden hierdoor effectiever, aangezien de druk in de stapel geschat wordt op basis van de toestand van de cellading en gezondheid. Dit zou resulteren in een preciezere voorspelling van de elektrische prestaties van het batterijpakket. Figuur 3 toont een schematische weergave van de procedure.
Technische en economische voordelen voor de ontwikkeling van opslagsystemen met hoog voltage
Tijdens de ontwikkeling van een batterijpakket wordt een gesimuleerde testcyclus gevolgd voor de standaardversie. Deze bestaat uit verschillende fasen:
- Testen en modelleren van een enkele cel
- Simulatie van homogene procedures op niveau van de module en het pakket
- Prototype en testen.
Als de tests falen, moet het proces herhaald worden en zijn bijkomende middelen nodig. Een courant voorbeeld hiervan is een rijcyclus die niet afgewerkt kan worden omdat onvoldoende capaciteit overblijft in het batterijpakket. De oorzaak is vaak een te hoge stapeldruk, die leidt tot degeneratie van de cellen.
Door de verplaatsing bij het uitzetten van een enkele cel precies opte meten, met een nauwkeurigheid van 1 µm, en de elektrische prestaties te evalueren bij bepaalde drukken, kunnen de ontwikkelde modellen voorspellen of een ontwerp zal leiden tot onvoldoende prestaties of fouten.
Deze voorspellingen zorgen voor efficiëntere ontwerpprocessen en verkorten de iteratieve ontwikkelingscycli, zoals getoond wordt in afbeelding 5.
Vooruitzichten
Het huidige geopolitieke landschap verhoogt de druk op de automobielindustrie om technologische vooruitgang te versnellen en competitief te blijven. De optimalisatie van ontwikkelings- en productieprocessen is een beslissende stap naar kostenreductie en marktconformiteit. De getoonde oplossing houdt rekening met dit doel door het verhogen van de efficiëntie in de ontwikkeling en bij te dragen aan een kwaliteitsvoller product.
Referenties
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. Effects of external pressure on the performance and ageing of single-layer lithium-ion pouch cells. J. Power Sources 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. Effect of external pressure and internal stress on battery performance and lifespan. Energy Storage Mater. 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. Influence of Pressure, Temperature and Discharge Rate on the Electrical Performances of a Commercial Pouch Li-Ion Battery. Batteries 2024, 10, 72.
OVER DE AUTEUR:
CEO en mede-oprichter van MBTS GmbH
Als mede-oprichter en CEO van MBTS heeft hij het bedrijf gespecialiseerd in de ontwikkeling van uiterst precieze multifysische testsystemen voor zakcellen en prismatische cellen. Daarvoor werkte hij meerdere jaren als ontwikkelings- en analyse-ingenieur bij Samsung SDI Battery Systems en AVL. Tegelijkertijd behaalde hij zijn doctoraat aan de Graz University of Technology rond veiligheidsaspecten van lithium-ion batterijen.