Vergleichende und schnellere Charakterisierung von Lithiumzellen
Dr. Wolfgang Scheuerpflug,
Diehl Aerospace GmbH
Der Markt für Lithium-Zellen ist sehr dynamisch. Teils kommt dies von der Vielzahl der verschiedenen Zellchemie-Entwicklungen, teils von unterschiedlichen Marktanforderungen. Diese Dynamik erhöht jedoch die Gefahr von unerwünschten Obsoleszenzen. Es empfiehlt sich, neue Zellen mit bewährten Produkten zu vergleichen. Um jedoch die dafür notwendigen Aufwände zu minimieren, wird eine systematische vergleichende Erfassung verschiedener Zellchemien und deren kritischen Parametern durchgeführt. Dadurch lassen sich einfacher potentiell interessante Produkte erkennen.
Vergleich von Lithiumtechnologien:
Folgende Zellen gleicher Bauform (18650) wurden mit elektrochemische Impedanzspektrometrie (EIS) und konventionellen Stresstests charakterisiert:
- Panasonic 18650 FK (Lithium Cobalt Oxid [LCO]): 2,3Ah (Referenzzelle)
- LG INR18650 MH1 (Lithium NMC [NMC]): 3,2 Ah
- SONY FTC (Lithium Eisen Phosphat [LFP]): 1,1 Ah
- SONY VTC6 (NCA/Gr+SiO): 3,12 Ah
- Samsung INR18650-20R (Lithium Mangan Oxid [LMO]): 2,0 Ah
Testmethoden:
- Entladungstests von voll geladenen neuen Zellen mit verschiedenen C-Raten:
o Gegenüberstellung in Ragone- und Peukert-Diagrammen
- Ermittlung der Impedanz bei 25°C über einen SOC-Bereich von 100% bis 50%
- Vergleich der Impedanzanalysen mit den elektrischen Belastungstests
Um die Leistung und Energie einer Zelle zu bestimmen, wird sie nach normgemäßer Voll-Ladung mit jeweils verschiedenen konstanten Strömen über eine elektronische Last bis zur Entladeschlußspannung entladen. Die Meßwerte können in einem Peukert-Diagramm (Darstellung der Kapazität Q [Ah] über der C-Rate) oder in einem Ragone-Diagramm (Darstellung der Energie [Wh] über Leistung [W]) visualisiert werden. Daraus kann erkannt werden, ab welcher C-Rate merklich weniger Kapazität freisetzen kann.
Funktionsprinzip Elektrochemische Impedanzspektroskopie:
EIS ist ein aktives Meßverfahren, bei dem durch die selektive Stromanregung wird die Spannungsantwort frequenzabhängig erhalten wird /3/.
Elektrochemische Elemente wie Li-Ionen-Zellen bestehen mindestens aus 2 verschiedenen Elektroden und dem Elektrolyt, deren Reaktion auf unterschiedlichen Frequenzbereichen erfolgt.
Das Leistungsranking bei elektrischer Belastung ergibt:
1: LMO
2. NMC
3. NCA/SiO
4. LFP
5. LCO
Dies wird auch bei der Impedanzdarstellung in Abb.9 deutlich, nur ist der Aufwand für die Impedanzmessung deutlich geringer. Ein Vergleich der Impedanzen von verschiedenen Lithiumzellen bei Voll-Ladung erlaubt nach geeigneter Umrechnung in pseudo-Kapazität und spezifische Energie eine effiziente Beurteilung der Reaktion auf elektrischen Stress. Damit lassen sich neue Zellen relativ zu bekannten Zellen in wesentlich kürzerer Zeit bewerten. Das Resultat wurde auch durch konventionelle Entladungstests bestätigt.