Schnellladung ohne Alterung – wie virtuelle Li-Ionen-Batterien das Dilemma lösen können

Schnellladung von Li-Ionen Batterien ist eine Grundvoraussetzung für den Erfolg der Elektromobilität. Eines der Hauptprobleme beim Schnellladen ist das sogenannte Lithium-Plating. Hierbei werden die Lithium-Ionen beim Laden nicht wie gewünscht in der Anodenstruktur interkaliert, sondern scheiden sich auf der Anodenoberfläche als metallischer Belag ab. Dies bedeutet nicht nur ein Sicherheitsrisiko, sondern führt auch zu einem zunehmenden Kapazitätsverlust der Batterie.

Experimentell im Labor kann das Einsetzen dieses Effekts gut mit dem Erreichen eines Anodenpotentials von 0 V gegen Lithium korreliert werden [1,2]. Da eine solche Messung des Anodenpotentials in einer kommerziellen Vollzelle jedoch nicht möglich ist, müssen mit großem experimentellem Aufwand Alterungsmessungen durchgeführt werden: Hierbei werden über einen langen Zeitraum verschiedene Ladestromprofile bei verschiedenen Ladezuständen, Temperaturen und Ladehüben an die Batterien angelegt und im Nachhinein geprüft, wann die Batterie wie stark gealtert ist.

Komplexität und Kosten einer solchen Methodik sind immens. Stattdessen stellen wir einen Ansatz vor, bei dem das aktuelle Anodenpotential simulativ durch Verwendung eines validierten Batteriemodells ermittelt wird. Das Modell enthält alle relevanten Verlustprozesse in Anode und Kathode und ist nachgewiesen valide im gesamten zulässigen Betriebsbereich der Batterie. Mit einem solchen Modell kann für eine beliebige gegebene Zelle untersucht werden, unter welchen Bedingungen Lithium-Plating auftritt oder anders: Unter welchen Bedingungen die Batterie wie schnell geladen werden kann. Auf diese Weise können optimale Ladeprofile errechnet werden, die die Batterie schnellstmöglich laden, ohne sie zu altern oder zu zerstören.