Detection and characterization of Lithium plating

Lithium Plating ist nicht nur der Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien mit dem größten Kapazitätsverlust, sondern wird auch im Zuge der voranschreitenden Elektrifizierung des Personenverkehrs immer wichtiger. In Elektrofahrzeugen finden sich die extremen Zustände, wie niedrige Ladetemperaturen und hohe Ladestrome, unter denen Plating auftritt, deutlich häufiger als in Unterhaltungstechnik. Durch die Vielzahl von Parametern, von der Zellgeometrie bis hin zur Elektrolyzusammensetzung, die Plating beeinflussen, fehlt immer noch ein tieferes Verständnis des Plating-Prozesses. Ohne dieses Wissen ist es schwer, Zellen zu designen, die resistent gegen Plating sind oder Zellen unter optimalen Bedingungen zu betreiben um Plating zu minimieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Methoden aufzuzeigen, die die Untersuchung von Plating auf drei verschiedenen Ebenen ermöglichen. Die erste Methode untersucht das Gesamtverhalten der Zelle auf Zellebene. Hierbei wird das atypische Verhalten der Strom- und Spannunsprofile wahrend des Plating-Vorgangs analysiert. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Konstantstrom-Phase bei niedrigen Temperaturen während der Ladung. Das Stromprofil dieser Phase kann mit der JMAK-Funktion gefittet werden, welche die elektrochemische Abscheidung eines Metalls auf einer Oberfläche beschreibt. Die resultierenden Fitting-Parameter können genutzt werden, um das Plating-Verhalten vorherzusagen und sind gleichzeitig eine bessere Abschätzung fur die Menge an geplatetem Lithium im Vergleich zu gängigen Methoden. Die Ergebnisse konnten außerdem helfen das Sicherheitsrisiko der Zelle bei Dendritenbildung vorherzusagen. Im zweiten Teil wird die chemische Zusammensetzung der SEI mittels XPS untersucht. Die Zusammensetzung, wie auch die mechanischen Eigenschaften der SEI, beeinflussen den Plating-Prozess stark und es wurde in vorhergehenden Arbeiten gezeigt, dass Plating auch die Morphologie und Dicke der SEI drastisch verändern kann. Zellen in verschiedenen Zuständen (geplatet, geladen, entladen), sowie Zellen verschiedener Hersteller wurden mit XPS untersucht. Während der Messungen wurde ein ungewollter Nebeneffekt des Messaufbaus entdeckt, der zu einer Migration von Lithium an die Oberflache der Proben geführt und die Messergebnisse verfälscht hat. Unabhängig von diesem Effekt war es dennoch möglich, zu zeigen, dass die SEI in Zellen verschiedener Hersteller stark unterschiedliche Zusammensetzungen haben kann und dass Plating nicht nur die Morphologie der SEI beeinflusst, sondern auch die chemische Zusammensetzung. Weiterhin konnte der ungewollte Nebeneffekt verwendet werden, um Proben zu identifizieren, die vor kurzem geplatet wurden und konnte in zukünftigen Arbeiten verwendet werden, um lokalisiert Lithium-Ablagerungen auf geplateten Proben zu identifizieren. Im letzten Teil wurde die Partikelstruktur der Anoden von Zellen verschiedener Zellhersteller mit Hilfe einer watershed-Partikeldetektion an LSM-Bildern untersucht. Die Verteilung der Partikelgrößen wurde mit dem Kapazitätsverlust gleicher Zelle durch Plating verglichen. Es wurde gezeigt, dass der Kapazitätsverlust mit Parametern, die aus den Partikelverteilungen extrahiert wurden, korreliert. Ein größerer Datensatz ist jedoch notwendig, um diese Ergebnisse zu validieren. Zusammenfassend hat diese Arbeit verschiedene neue Methoden aufgezeigt, um Plating auf verschiedenen Vergrößerungsebenen zu detektieren und zu charakterisieren. Neue Ansätze wurden gefunden, um das Platingverhalten von Zellen vorherzusagen, lokalisiertes Lithium auf der Oberfläche zu detektieren und Zellen platingresistenter designen zu können.