Lithium-Plating und Dendritenwachstum in Lithium-Ionen-Batterien
Betriebsbedingungen
Lithium-Plating und SOH-Informationen
Lithium-Plating Visualisierung
Die Spannungskurven zeigen, wie Lithium-Plating den nutzbaren Spannungsbereich einschränkt und zu einem steileren Spannungsanstieg während der Ladung führt. Bei starkem Plating ist das Erreichen der Ladeschlussspannung früher zu beobachten.
Die Doppelpuls-Kurve zeigt abwechselnde Entlade- und Ladepulse bei 1C (2s Entladung, 2s Ladung), mit Ruhephasen dazwischen. Mit zunehmendem Lithium-Plating zeigen sich deutlichere Spannungsdifferenzen zwischen Entlade- und Ladekurven sowie höhere Innenwiderstände.
Einfluss von Betriebsbedingungen auf Lithium-Plating
Das Lithium-Plating ist ein kritischer Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien, bei dem sich metallisches Lithium auf der Oberfläche der Graphitanode ablagert, anstatt in die Struktur einzulagern. Dies führt zu irreversiblem Kapazitätsverlust, erhöhtem Innenwiderstand und potenziellen Sicherheitsrisiken durch Dendritenbildung.
Lithium-Plating Risiko-Modell
Das Risiko für Lithium-Plating kann vereinfacht durch eine Überpotential-Betrachtung dargestellt werden:
\[ \eta_{Li/Li^+} = \phi_s - \phi_e - U_{Li/Li^+} \]
wobei \(\phi_s\) das Festkörperpotential der Anode, \(\phi_e\) das Elektrolytpotential und \(U_{Li/Li^+}\) das Gleichgewichtspotential für die Lithium-Abscheidung ist. Plating tritt auf, wenn \(\eta_{Li/Li^+} < 0\).
Einflussfaktoren auf das Lithium-Plating:
- Temperatur: Niedrige Temperaturen (<10°C) verlangsamen die Interkalation in Graphit drastisch und erhöhen das Plating-Risiko erheblich.
- C-Rate: Hohe Ladeströme führen zu stärkeren Konzentrationsgradienten und Überpotentialen, die Plating begünstigen.
- SOC-Niveau: Hohe SOC-Werte (>80%) führen zu niedrigeren Anodenpotentialen, wodurch sich das Risiko für Lithium-Plating erhöht.
- Anoden-Überdimensionierung: Eine gut überdimensionierte Anode bietet mehr Raum für Interkalation und reduziert das Plating-Risiko.
- Zyklenzahl: Mit zunehmender Zyklenzahl verändern sich die Eigenschaften der SEI und der Anode, was die Plating-Tendenz verstärken kann.
Auswirkungen des Lithium-Platings:
- Kapazitätsverlust: Metallisches Lithium ist elektrochemisch inaktiv oder nur teilweise reversibel, was zu Kapazitätsverlust führt.
- Innenwiderstandserhöhung: Plating verändert die Oberflächenstruktur und den Ionentransport, was zu höheren Widerständen führt.
- Dendritenwachstum: Plating kann zur Bildung nadelförmiger Lithium-Strukturen (Dendriten) führen, die im schlimmsten Fall den Separator durchdringen und einen internen Kurzschluss verursachen können.
- Veränderte Ladekurven: Durch zunehmende Oberflächen-Effekte verändert sich die Form der Spannungskurven während der Ladung.
Strategien zur Vermeidung von Lithium-Plating:
- Vermeidung von Ladung bei niedrigen Temperaturen (<10°C)
- Reduzierte Ladeströme (besonders bei Kälte)
- Begrenzung des maximalen SOC auf ca. 80-90%
- Verwendung von Batteriedesigns mit ausreichender Anoden-Überdimensionierung
- Implementierung von speziellen Ladeprotokollen (z.B. Puls-Ladung, optimierte CC-CV-Profile)