SEI-Schicht Wachstum und Auswirkungen auf Batteriealterung

Betriebsbedingungen

-10 °C 25 °C 60 °C
0% 50% 100%
0% 80% 100%
0.1C 1.0C 3.0C
0 Jahre 5.0 Jahre 10 Jahre

SEI-Wachstum und SOH-Informationen

SOH: 100%
SEI-Dicke: 0.5 nm
Kapazitätsverlust: 0%
Innenwiderstand: 100%
SEI-Wachstumsrate: 0.1 nm/Jahr

SEI-Schicht Visualisierung

Anode (Graphit)
SEI-Schicht
Elektrolyt
Li⁺ Ionen

Die OCV-Kurve (Open Circuit Voltage) zeigt die Ruhespannung der Batterie in Abhängigkeit vom SOC. Mit zunehmendem SEI-Wachstum verschiebt sich die Kurve aufgrund des Lithium-Verlusts (Kapazitätsverlust).

Pulsentladung: 0%

Die Doppelpuls-Kurve zeigt abwechselnde Entlade- und Ladepulse bei 1C (2s Entladung, 2s Ladung), mit Ruhephasen dazwischen. Mit zunehmendem SEI-Wachstum zeigen sich deutlichere Spannungsdifferenzen zwischen Entlade- und Ladekurven sowie höhere Innenwiderstände.

Einfluss von Betriebsbedingungen auf SEI-Wachstum

Das SEI-Wachstum (Solid Electrolyte Interphase) ist ein wichtiger Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien. Die SEI-Schicht entsteht durch Reaktionen zwischen dem Elektrolyten und der Anodenoberfläche und führt zu irreversiblem Kapazitätsverlust und erhöhtem Innenwiderstand.

SEI-Wachstumsmodell

Das Wachstum der SEI-Schichtdicke \(L\) kann durch eine Kombination aus Arrheniusgleichung und Wurzelzeitgesetz beschrieben werden:

\[ L(t) = L_0 + k \cdot \sqrt{t} \cdot \exp\left(-\frac{E_a}{R \cdot T}\right) \]

wobei \(L_0\) die initiale SEI-Dicke, \(k\) die Wachstumskonstante, \(E_a\) die Aktivierungsenergie, \(R\) die Gaskonstante, \(T\) die Temperatur und \(t\) die Zeit ist.

Einflussfaktoren auf das SEI-Wachstum:

  • Temperatur: Höhere Temperaturen beschleunigen das SEI-Wachstum exponentiell gemäß der Arrhenius-Gleichung.
  • SOC-Niveau: Hohe SOC-Werte (insbesondere >80%) fördern das SEI-Wachstum durch erhöhte Elektrolytreduktion bei höheren Potentialen.
  • Zyklentiefe: Größere Zyklentiefen führen zu mehr mechanischem Stress und beschleunigen das SEI-Wachstum.
  • C-Rate: Höhere Lade-/Entladeraten erhöhen die lokale Temperatur und können zu ungleichmäßigem SEI-Wachstum führen.

Auswirkungen des SEI-Wachstums:

  1. Kapazitätsverlust (Kappa-Verlust): Durch irreversible Bindung von Lithium in der SEI-Schicht sinkt die verfügbare Kapazität.
  2. Erhöhter Innenwiderstand: Die SEI-Schicht bildet eine Barriere für den Li⁺-Transport, was den Innenwiderstand erhöht.
  3. Leistungsminderung: Höherer Innenwiderstand führt zu stärkeren Spannungsabfällen bei hohen Strömen und reduziert die verfügbare Leistung.
  4. Veränderte OCV-Kurve: Durch den Lithium-Verlust verschiebt sich die OCV-Kurve, was die Spannungsgrenzen bei gleicher Kapazität verändert.

Optimale Betriebsbedingungen für minimales SEI-Wachstum:

  • Moderate Temperaturen (15-25°C)
  • Mittleres SOC-Niveau (30-70%)
  • Geringe Zyklentiefe (<50% DOD)
  • Moderate C-Raten (<1C)