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Experimentelle Untersuchung des Einflusses von mechanischer Verformung auf Alterung, Sicherheit und elektrisches Verhalten von Lithium-Ionen-Batteriezellen

Besonders in mobilen Anwendungen können 18650 Lithium-Ionen-Akkus mechanischem Missbrauch ausgesetzt sein. Mechanische Verformungen können das Batteriegehäuse stark beschädigen, ohne dass es zu einem sofortigen Ausfall der Zellen kommt. Bleiben solche Fälle unentdeckt, können die Zellen in Gebrauch bleiben und ein potenzielles langfristiges Sicherheitsrisiko darstellen. Aufgrund von Forschungslücken in der wissenschaftlichen Literatur hinsichtlich der langfristigen Auswirkungen solcher Schäden, des Einflusses des Zellendesigns, der Eindringtiefe sowie der Auswirkungen auf das elektrische Verhalten wurden zwei zyklische Alterungsstudien und weitere elektrische Tests (CC-CV-Kapazität, DVA) mit mechanisch verformten 18650er-Zellen durchgeführt; zur weiteren Analyse wurden CT, Post-Mortem und SEM eingesetzt.

In den zyklischen Alterungsstudien blieben beide getesteten Zelltypen (mit Dorn und ohne Dorn) elektrisch funktionsfähig und zeigten trotz Intrusionen von bis zu 6 mm kein sicherheitskritisches Verhalten. Zellen mit signifikanter Intrusion zeigten eine erhöhte CC-CV-Ladekapazität für einen Ladevorgang und CC-Entladekapazitätsabnahmen von 3,2 % nach mechanischer Verformung, aber keine oder nur leicht beschleunigte Alterungsraten nach dem anfänglichen Kapazitätsabfall.

Die DVA deutete eher auf einen globalen Kapazitätsverlust des nutzbaren Materials als auf spezifische Anoden- oder Kathodenschäden hin. Die CT-Analyse zeigte eine erneute Verformung des Gehäuses nach der zyklischen Alterung, die wahrscheinlich auf das Aufquellen der Gelee-Rolle zurückzuführen ist. Die Post-Mortem-Analyse ergab Abdrücke auf allen Elektrodenkomponenten und Ablösungen des aktiven Materials. Die REM-Analyse zeigte Veränderungen in der Innendruckverteilung der Zelle aufgrund der äußeren Verformung.

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