DE102023000530A1

DE102023000530A1 - Method for determining the electromechanical properties of lithium-ion cells

Info

Publication number: DE102023000530A1
Application number: DE102023000530.4A
Authority: DE
Inventors: Arber Avdyli
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2024-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsbestimmung elektromechanischer Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen (1).Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (2) zur Wegmessung eingesetzt wird, um ein Wachstumsverhalten der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle (1) zu bestimmen, und eine Gasentwicklung in der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle (1) abzuleiten.The invention relates to a method for determining the state of electromechanical properties of lithium-ion cells (1). The invention is characterized in that at least one sensor (2) is used for distance measurement in order to determine a growth behavior of the at least one lithium-ion cell (1) and to derive a gas development in the at least one lithium-ion cell (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsbestimmung elektromechanischer Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen.The invention relates to a method for determining the state of electromechanical properties of lithium-ion cells.

Lithium-Ionen-Zellen haben aufgrund unkorrekter Auslegung oder aufgrund von unkorrekten Betriebszuständen eine Neigung zum Gasen. Eine Gasentwicklung ist dabei eine Folge von Nebenreaktionen bzw. Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten. Der Elektrolyt ist für einen lonenfluss zuständig. Wenn ein Elektrolyt-Verbrauch ansteigt, beispielsweise infolge eines Betriebs, so nimmt lokal ein Innenwiderstand zu, da Gasbläschen ebenfalls räumlich den Ionenfluss einschränken. Infolgedessen kann es zu lokalen Stromdichteerhöhungen kommen, woraus ein sogenanntes gasinduziertes Plating resultiert. Plating kann direkt zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust führen, und sollte daher vermieden werden. Wird beispielsweise durch eine Anpassung einer Betriebsstrategie die Gasentwicklung nicht verhindert bzw. nicht gehemmt, so kann es zu einer Zellöffnung kommen, wodurch die Lithium-Ion-Zellen beschädigt werden.Lithium-ion cells have a tendency to gass due to incorrect design or incorrect operating conditions. Gas development is a result of side reactions or decomposition reactions of the electrolyte. The electrolyte is responsible for ion flow. If electrolyte consumption increases, for example as a result of operation, the internal resistance increases locally, as gas bubbles also spatially restrict the ion flow. This can lead to local increases in current density, resulting in what is known as gas-induced plating. Plating can lead directly to irreversible capacity loss and should therefore be avoided. If gas development is not prevented or inhibited, for example by adjusting an operating strategy, the cell can open, damaging the lithium-ion cells.

Aus der DE 10 2014 109 237 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batterie bekannt, umfassend eine Anode mit einem Lithium-Metalloxid als aktives Elektrodenmaterial. Das Elektrodenmaterial ist in der Lage, Lithiumionen um ein Potential von 1,0 bis 2,5 V vs. Li/Li* ein- und auszulagern. Dabei weist die Batterie keinen Lithiumcarbonat enthaltenden Filmüberzug auf. Die Lithium-Ionen-Batterie umfasst weiterhin einen nichtwässrigen Elektrolyten, der ein Lithium-Leitsalz und ein nichtwässriges Lösungsmittel enthält. Das nichtwässrige Lösungsmittel umfasst Lactonen und/oder Sulfonen. Mit der Lithium-Ionen-Batterie kann eine reduzierte Gasentwicklung erreicht werden, da bestimmte Elektrolyte die Gasentwicklung in Lithium-Ionen-Zellen reduzieren.From the EN 10 2014 109 237 A1 A lithium-ion battery is known, comprising an anode with a lithium metal oxide as the active electrode material. The electrode material is capable of storing and releasing lithium ions at a potential of 1.0 to 2.5 V vs. Li/Li*. The battery does not have a film coating containing lithium carbonate. The lithium-ion battery also comprises a non-aqueous electrolyte that contains a lithium conducting salt and a non-aqueous solvent. The non-aqueous solvent comprises lactones and/or sulfones. Reduced gas development can be achieved with the lithium-ion battery, since certain electrolytes reduce gas development in lithium-ion cells.

Es ist jedoch nicht immer möglich, die Zelle an sich wie in der DE 10 2014 109 237 A1 zu verändern. Weiterhin führt ein Wunsch nach mehr Reichweite und eine zunehmende Verschärfung der Gesetzgebung dazu, die Zellen bzw. das Aktivmaterial volumetrisch zu maximieren. Um die steigenden Anforderungen durch die Gesetze bzw. eines Thermal Propagation (TP) erfüllen zu können, wird beispielsweise ein Vorhalt für ein Zellwachstum durch inkompressible Materialien substituiert, die bei einem Zellwachstum eine thermisch isolierende Wirkung haben und eine Distanz waren.However, it is not always possible to identify the cell itself as in the EN 10 2014 109 237 A1 Furthermore, a desire for greater range and increasing stricter legislation leads to the volumetric maximization of the cells or the active material. In order to be able to meet the increasing requirements of the laws or of thermal propagation (TP), for example, a reserve for cell growth is replaced by incompressible materials that have a thermally insulating effect during cell growth and are a distance.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, reichweitenoptimierte Zellchemie mit Siliziumanteil in der Anode zu verwenden, die neben einer größeren Reichweite auch eine ausgeprägte Eigenschaft für ein Zelldickenwachstum (ZDW) aufweisen. Eine zunehmende Minimierung des ZDW-Vorhalts bedarf jedoch einer präzisen Zustandsbestimmung von elektromechanischen Eigenschaften der Zellen im elektrischen Betrieb.It is also known from the state of the art to use range-optimized cell chemistry with a silicon content in the anode, which, in addition to a longer range, also has a pronounced property for cell thickness growth (ZDW). However, an increasing minimization of the ZDW lead requires a precise determination of the state of the electromechanical properties of the cells in electrical operation.

Der bisherige Stand der Technik zur nicht-invasiven Detektion von Alterungsmechanismen sieht daher vor, über eine Analyse von differenziellen Spannungsänderungen bezogen auf eine Ladung (DVA) Rückschlüsse auf mögliche Alterungsmechanismen zu ziehen. Die differenzielle Spannungsanalyse erfordert jedoch eine konstante Ladung bzw. Entladung der Zelle mit nur sehr geringen Strömen, um quasi die charakteristische Leerlaufspannung zu messen. Die DVA ermöglicht es, über Veränderungen von Peaks, Tälern, Steigungen und Grenzen material- und alterungsspezifische Aussagen zu treffen.The current state of the art for the non-invasive detection of aging mechanisms therefore involves drawing conclusions about possible aging mechanisms by analyzing differential voltage changes related to a charge (DVA). However, differential voltage analysis requires a constant charge or discharge of the cell with only very low currents in order to measure the characteristic open circuit voltage. DVA makes it possible to make material- and aging-specific statements about changes in peaks, valleys, gradients and limits.

Weitere Ansätze, beispielsweise mit einem Dickenverlauf der Zelle über eine Ladung Rückschlüsse auf eine Alterung zu ziehen, erfordern dieselben Anforderungen, wie bezüglich der DVA beschrieben. Ein Aufwand zur Erfassung eines derartigen Dickenverlaufs der Zellen steht daher nicht in Relation.Other approaches, for example using a cell thickness profile to draw conclusions about aging over a charge, require the same requirements as described for the DVA. The effort required to record such a cell thickness profile is therefore not proportionate.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, welches eine Zustandsbestimmung elektromechanischer Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen unter vertretbarem Aufwand ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method which enables a determination of the state of electromechanical properties of lithium-ion cells with reasonable effort.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. According to the invention, this object is achieved by a method having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.Advantageous embodiments and further developments arise from the dependent claims.

Im Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Sensor zur Wegmessung eingesetzt wird, um ein Wachstumsverhalten der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle zu bestimmen, und eine Gasentwicklung in der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle abzuleiten. Mit anderen Worten wird eine differenzielle Veränderung eines Dickenhubs über die Ladung analysiert, wobei daraus Korrelationen abgeleitet werden können, die nicht über die DVA erkennbar sind. Dazu ist eine Wegmesstechnik erforderlich, wobei zumindest ein Sensor zur Wegmessung eingesetzt wird. Vorteilhafterweise weist die Wegmesstechnik eine Auflösungsgenauigkeit von 0,1 µm auf. Es können ebenso mehrere Wegemesssensoren eingesetzt werden.At the core of the method according to the invention, at least one sensor is used for distance measurement in order to determine a growth behavior of the at least one lithium-ion cell and to derive a gas development in the at least one lithium-ion cell. In other words, a differential change in a thickness stroke over the charge is analyzed, whereby correlations can be derived from this that cannot be recognized via the DVA. For this purpose, a distance measurement technology is required, whereby at least one sensor is used for distance measurement. The distance measurement technology advantageously has a resolution accuracy of 0.1 µm. Several distance measurement sensors can also be used.

Das Verfahren zur Zustandsbestimmung elektromechanischer Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen kann daher einen Gasentwicklungsprozess in der Zelle erkennen, wobei dies vorteilhafterweise auf Zellebene, auf Batterieebene oder auf Komponentenebene erfolgen kann. Wird der jeweilige Zustand bestimmt, kann beispielsweise durch eine Anpassung einer Betriebsstrategie eine Lebensdauer der Batterie verlängert werden.The method for determining the electromechanical properties of lithium Ion cells can therefore detect a gas development process in the cell, whereby this can advantageously be done at cell level, battery level or component level. If the respective state is determined, the service life of the battery can be extended, for example by adapting an operating strategy.

Bevorzugt kann aus der Gasentwicklung eine Korrelation zu einem Innenwiderstand abgeleitet werden. Vorteilhafterweise kann dadurch ein gasinduziertes Plating und eine vorzeitige Alterung der Zelle vermieden werden. Insbesondere kann eine Betriebsstrategie der Zelle verbessert werden, wobei „onboard“ eine Kenntnis einer elektromechanischen Zustandsbestimmung erfolgen kann.Preferably, a correlation to an internal resistance can be derived from the gas development. This can advantageously prevent gas-induced plating and premature aging of the cell. In particular, an operating strategy of the cell can be improved, whereby knowledge of an electromechanical state determination can be made "onboard".

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass aus der Gasentwicklung eine Gasverdrängung in zumindest eine Gastasche einer Pouch-Folie abgeleitet wird. Wird beispielsweise eine Pouch-Zelle eingesetzt, so können sich die aktiven Komponenten in einer Hülle aus Kunststoff-Aluminium-Verbundfolie befinden, deren Seiten thermisch miteinander verschweißt sind. Die Pouch-Folie bildet insbesondere die äußere Hülle der Batteriezelle aus, und kann auch als Gehäusefolie bezeichnet werden. Eine Gastasche ist insbesondere ein Hohlraum, der an einem Ableitblech angeordnet ist. Ist ein Druck groß genug, kann das Gas in die Gastasche verdrängt werden. Ist hingegen der Druck nicht ausreichen, so liegt das Gas insbesondere lokal verteilt in den Lagen der Batteriezelle und nimmt daher Einfluss auf die Alterung, auf den Innenwiderstand sowie auf das Zellwachstum. Wird in einem derartigen Zustand eine Betriebsstrategie der Zelle nicht angepasst, kann die Gasentwicklung nicht gehemmt werden. So kann es zu einer Zellöffnung kommen, was zu vermeiden ist. Es ist daher eine elektromechanische Zustandsbestimmung zur Optimierung eines Zellbetriebs vorteilhaft.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that a gas displacement is diverted from the gas development into at least one gas pocket of a pouch film. If, for example, a pouch cell is used, the active components can be located in a casing made of plastic-aluminum composite film, the sides of which are thermally welded together. The pouch film forms in particular the outer casing of the battery cell and can also be referred to as a housing film. A gas pocket is in particular a cavity that is arranged on a discharge plate. If the pressure is high enough, the gas can be displaced into the gas pocket. If, on the other hand, the pressure is insufficient, the gas is distributed locally in the layers of the battery cell and therefore influences aging, internal resistance and cell growth. If an operating strategy of the cell is not adapted in such a state, the gas development cannot be inhibited. This can lead to cell opening, which must be avoided. An electromechanical state determination is therefore advantageous for optimizing cell operation.

Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass aus der Gasentwicklung eine Korrelation zu einem anliegenden Gegendruck abgeleitet wird. Insbesondere kann ein anliegender Gegendruck im Zellblock infolge des Zelldickenwachstums als Indikator dienen.According to an advantageous embodiment, it can be provided that a correlation to an existing counterpressure is derived from the gas development. In particular, an existing counterpressure in the cell block as a result of cell thickness growth can serve as an indicator.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass der zumindest eine Sensor zur Wegmessung mit der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle in einer Batterie integriert ist. Der Sensor kann insbesondere das Wachstumsverhalten einer Zelle oder das Wachstum des gesamten Zellblocks erfassen. Es können ebenso mehrere Wegmesssensoren an unterschiedlichen Positionen in der Batterie integriert sein.A further advantageous embodiment can provide that the at least one sensor for measuring distance is integrated with the at least one lithium-ion cell in a battery. The sensor can in particular detect the growth behavior of a cell or the growth of the entire cell block. Several distance measuring sensors can also be integrated at different positions in the battery.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass das Verfahren unter konstanten Druckbedingungen in der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle durchgeführt wird.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that the method is carried out under constant pressure conditions in the at least one lithium-ion cell.

Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Verfahren unter konstanten Entlade- und/oder Ladeströmen der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle durchgeführt wird. Vorteilhafterweise liegen die konstanten Entlade- sowie Ladeströme im Bereich bis zu 1C.According to an advantageous embodiment, it can be provided that the method is carried out under constant discharge and/or charge currents of the at least one lithium-ion cell. The constant discharge and charge currents are advantageously in the range up to 1C.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass aus dem Wachstumsverhalten der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle eine Druckentwicklung in der Lithium-Ionen-Zelle oder in einem Zellblock umfassend mehrere Lithium-Ionen-Zellen abgeleitet wird, und eine Anpassung der Betriebsstrategie erfolgt, um eine Lebensdauer des Zellblocks oder der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle zu verbessern.A further advantageous embodiment can provide that a pressure development in the lithium-ion cell or in a cell block comprising several lithium-ion cells is derived from the growth behavior of the at least one lithium-ion cell, and an adjustment of the operating strategy is carried out in order to improve a service life of the cell block or of the at least one lithium-ion cell.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass aus der Gasentwicklung präventive Maßnahmen abgeleitet werden, und eine Anpassung der Betriebsstrategie erfolgt, um eine Lebensdauer der Batterie oder der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle zu verbessern.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that preventive measures are derived from the gas development and that the operating strategy is adapted in order to improve the service life of the battery or of at least one lithium-ion cell.

Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass zumindest ein Lasersensor eingesetzt wird, um eine Verformung der zumindest einen Lithium-Ionen-Zelle zu messen. Mit dem zumindest einen Lasersensor kann das Zelldickenwachstum bzw. eine Zustandsbestimmung der Gasdetektion auf Batterieebene gemessen werden. Insbesondere können mehrere Lasersensoren eingesetzt werden. Vorteilhafterweise ist der zumindest eine Lasersensor mit einem Batteriesteuergerät gekoppelt oder koppelbar. Die Lasersensoren können daher beispielsweise zur Gasdetektion, Kraftrückrechnung, elektromechanischen Zustandsbestimmung der Zellen und für Betriebsstrategieoptimierungen herangezogen werden. Die Sensoren sind daher bevorzugt ebenso in der Batterie integriert.According to an advantageous embodiment, it can be provided that at least one laser sensor is used to measure a deformation of the at least one lithium-ion cell. The at least one laser sensor can be used to measure the cell thickness growth or a status determination of the gas detection at battery level. In particular, several laser sensors can be used. Advantageously, the at least one laser sensor is or can be coupled to a battery control unit. The laser sensors can therefore be used, for example, for gas detection, force calculation, electromechanical status determination of the cells and for operating strategy optimization. The sensors are therefore preferably also integrated in the battery.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Batterieblock mit zumindest eine Lithium-Ionen-Zelle dargelegt, wobei in dem Batterieblock zumindest eine Sensor zur Wegmessung integriert ist. Vorteilhaferweise ist ebenso ein Lasersensor in dem Batterieblock integriert. Für einen derartigen Batterieblock gelten dieselben Vorteile und Merkmale, wie bezüglich des Verfahrens beschrieben.According to the invention, a battery block with at least one lithium-ion cell is also provided, wherein at least one sensor for measuring distance is integrated in the battery block. A laser sensor is also advantageously integrated in the battery block. The same advantages and features apply to such a battery block as described with regard to the method.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.Further advantageous embodiments of the method according to the invention also result from the embodiment which is described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine mögliche Ausführungsform einer Batteriezelle;
2 Ergebnisse einer differentiellen Spannungsanalyse für Konstant-Kraftmessungen.

Showing:

1 a possible embodiment of a battery cell;
2 Results of a differential stress analysis for constant force measurements.

In der Darstellung der 1 ist eine mögliche Ausführungsform einer Batteriezelle dargestellt, an welcher das Verfahren angewendet werden kann. Die Batteriezelle umfasst in dieser Ausführungsform zwei Lithium-Ionen-Zellen 1. In der Batteriezelle sind ein Sensor 2 zur Wegmessung sowie mehrere Lasersensoren 3 integriert.In the presentation of the 1 A possible embodiment of a battery cell is shown to which the method can be applied. In this embodiment, the battery cell comprises two lithium-ion cells 1. A sensor 2 for measuring distance and several laser sensors 3 are integrated in the battery cell.

Selbstverständlich kann eine mögliche Ausführungsform der Batterie variieren, wobei das Verfahren an unterschiedlich ausgeformten Batterien oder einzelnen Lithium-Ionen-Zellen 1 oder Blöcken aus Lithium-Ionien-Zellen 1 angewendet werden kann, sodass verschiedene Möglichkeiten entstehen.Of course, a possible embodiment of the battery can vary, whereby the method can be applied to differently shaped batteries or individual lithium-ion cells 1 or blocks of lithium-ion cells 1, so that different possibilities arise.

2 zeigt vier Diagramme, die jeweils Messungsergebnisse einer differenziellen Spannungsanalyse (DVA) unter konstanten Druckbedingungen darstellen. Dadurch kann der Einfluss des Drucks untersucht werden. Für die Messungen wurden die Zellen elektrisch zyklisiert und gealtert. Es wurde eine differenzielle Spannungsanalyse über eine C/10-Entladung über die gesamte Alterung durchgeführt. Die vier Diagramme zeigen die Ergebnisse von DVA-Untersuchungen unter unterschiedlichen Kraftbedingungen. Dabei zeigt jedes Diagramm eine Messung für eine bestimmte Kraft. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, verschieben sich die Peaks und die Grenzen der Kurven über die Alterung der Zelle. Für einen SOH-Wert von 70% liegt eine hohe Alterung vor, ein SOH-Wert von 100% zeigt hingegen keine Alterung. Unabhängig davon, ob eine Farbskala in der Abbildung erkennbar ist, ist ersichtlich, dass sich alle Kurven nicht signifikant unterscheiden. Um dies noch tiefgehender zu untersuchen, wurde bei den Messungen von 6,4kN und 11kN die Kraft nach Erreichen eines SOH-C von 70% extrem erhöht. Dadurch kann überprüft werden, ob daraus ein Einfluss im Ergebnis der differenziellen Spannungsanalyse erkennbar ist. Dies ist jedoch nicht der Fall, und es ist ersichtlich, dass das Ergebnis der differenziellen Spannungsanalyse keine direkte Korrelation zu einer Gegenkraft herleiten lässt, wodurch keine Zusammenhänge zu mechanischen und elektromechanischen Randbedingungen der Zelle hergestellt werden können. 2 shows four diagrams, each of which represents the measurement results of a differential stress analysis (DVA) under constant pressure conditions. This allows the influence of pressure to be investigated. For the measurements, the cells were electrically cycled and aged. A differential stress analysis was carried out using a C/10 discharge over the entire aging period. The four diagrams show the results of DVA tests under different force conditions. Each diagram shows a measurement for a specific force. As is known from the state of the art, the peaks and boundaries of the curves shift as the cell ages. For an SOH value of 70%, there is high aging, whereas an SOH value of 100% shows no aging. Regardless of whether a color scale is visible in the figure, it is clear that all curves do not differ significantly. In order to investigate this in more depth, the force was extremely increased in the measurements of 6.4 kN and 11 kN after an SOH-C of 70% was reached. This makes it possible to check whether an influence can be seen in the result of the differential stress analysis. However, this is not the case and it is clear that the result of the differential stress analysis does not allow a direct correlation to be derived from a counterforce, which means that no connections can be made to the mechanical and electromechanical boundary conditions of the cell.

Des Weiteren können Ergebnisse einer differenziellen Dickenhubanalyse analysiert werden. Für die differenzielle Dickenhubanalyse bedarf es einer numerischen Differenten der Wegmessung und des Ladungsdurchsatzes sowie anschließend einer speziell entwickelten Filtertechnik, zur Glättung der Kurven. Dabei ist bekannt, dass eine Gegenkraft deutlichen Einfluss auf die Veränderung des Dickenhubs über die Alterung nimmt. Es ist insbesondere bekannt, dass Messungen mit einem Wert kleiner von 11 kN über die Alterung einen starken Anstieg aufweisen. Bei Messungen von Größe 11 kN wird dieses Verhalten nicht beobachtet. Die Ergebnisse der differenziellen Dickenhubanalyse sind weiterhin abhängig vom vorherrschenden Druck. Dies lässt sich auf die Gasentwicklung in der Zelle zurückführen, die in Wechselwirkung mit der Kraft steht. Die Ursache einer Gasentwicklung ist abhängig von den chemischen Zusammensetzungen der Zelle und den damit verbundenen chemischen Reaktionen und Nebenreaktionen. Die Kraftabhängigkeit kann weiterhin durch das Design von Pouch-Folien und den damit verbundenen Gastaschen hervorgerufen werden.Furthermore, the results of a differential thickness stroke analysis can be analyzed. The differential thickness stroke analysis requires a numerical difference between the path measurement and the charge throughput, followed by a specially developed filter technique to smooth the curves. It is known that a counterforce has a significant influence on the change in the thickness stroke over aging. It is particularly known that measurements with a value of less than 11 kN show a strong increase over aging. This behavior is not observed for measurements of 11 kN. The results of the differential thickness stroke analysis are also dependent on the prevailing pressure. This can be attributed to the gas development in the cell, which interacts with the force. The cause of gas development depends on the chemical composition of the cell and the associated chemical reactions and side reactions. The force dependence can also be caused by the design of pouch films and the associated gas pockets.

Allgemein kann eine Abhängigkeit vom Zellwachstum und einer resultierenden Kraft untersucht werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zelle über den Ladehub und über die Alterung wachsen. Dabei führt insbesondere eine Interkalation der Ionen in die Anode zu einer Volumenausdehnung. Bei einer Alterung kommt es insbesondere zu einer Zunahme irreversibler Nebenreaktionen und einer Unordnung in der Zelle.In general, a dependency on cell growth and a resulting force can be investigated. Studies have shown that the cell grows over the charging stroke and over aging. In particular, intercalation of ions into the anode leads to volume expansion. Aging in particular leads to an increase in irreversible side reactions and disorder in the cell.

Es kann weiterhin das Zellwachstum über die Dehnung in Relation zur Kapazitätsalterung und zum Innenwiderstand für die in 2 gezeigten Konstant-Kraftmessungen untersucht werden. Dabei ist erkennbar, dass Messungen mit geringerer Kraft einen deutlicheren Innenwiderstandszuwachs und ein deutlich größeres Zellwachstum aufweisen.It can also determine cell growth over strain in relation to capacity aging and internal resistance for the 2 shown constant force measurements are examined. It can be seen that measurements with lower force show a more significant increase in internal resistance and significantly greater cell growth.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Alterung, das Zellwachstum und die Druckentwicklung zusammenhängen. Mit dem beschriebenen Verfahren kann daher die Zustandsbestimmung elektromechanische Eigenschaften einer Lithium-Ionenzelle direkt erfolgen, und zwar auf Zellebene sowie auf Batterieebene. Vorteilhafterweise sind dabei mehrere Zustände bestimmbar, wie insbesondere die Gasentwicklung in der Zelle, eine Korrelation zum Innenwiderstand, eine Gasverdrängung in die Gastaschen der Pouch-Folie sowie eine Korrelation zum anliegenden Gegendruck. Das Verfahren benötigt dazu insbesondere eine Wegmesstechnik sowie eine zur Analyse der Ergebnisse.In summary, it can be said that aging, cell growth and pressure development are related. The method described can therefore be used to directly determine the state of the electromechanical properties of a lithium-ion cell, both at the cell level and at the battery level. Advantageously, several states can be determined, such as in particular the gas development in the cell, a correlation to the internal resistance, gas displacement into the gas pockets of the pouch film and a correlation to the applied counterpressure. The method requires in particular a displacement measurement technology and one for analyzing the results.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014109237 A1 [0003, 0004]

Claims

Method for determining the state of electromechanical properties of lithium-ion cells (1), characterized in that at least one sensor (2) is used for distance measurement in order to determine a growth behavior of the at least one lithium-ion cell (1) and to derive a gas development in the at least one lithium-ion cell (1).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a correlation to an internal resistance is derived from the gas evolution.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a gas displacement is derived from the gas evolution into at least one gas pocket of a pouch film.

Procedure according to Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that a correlation to an applied back pressure is derived from the gas evolution.

Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the at least one sensor (2) for distance measurement is integrated with the at least one lithium-ion cell (1) in a battery.

Procedure according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the method is carried out under constant pressure conditions in the at least one lithium-ion cell (1).

Method according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the method is carried out under constant discharge and/or charge currents of the at least one lithium-ion cell (1).

Method according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that a pressure development in the lithium-ion cell (1) or in a cell block comprising a plurality of lithium-ion cells (1) is derived from the growth behavior of the at least one lithium-ion cell (1), and an adjustment of the operating strategy is carried out in order to improve a service life of the cell block or of the at least one lithium-ion cell (1).

Method according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that preventive measures are derived from the gas evolution, and the operating strategy is adapted in order to improve a service life of the battery or of the at least one lithium-ion cell (1).

Method (14) according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that at least one laser sensor (3) is used to measure a deformation of the at least one lithium-ion cell (1).