Analysis of Lithium Ion System with Electrochemical Impedance Spectroscopy Methods (EIS) for Addressing the Modelling of Ageing Phenomena

Hartmut Popp

Research output: ThesisMaster's Thesis

Abstract

Lithium Ionen Akkumulatoren (LiIo) werden aufgrund ihrer hohen Zellspannung, Energiedichte und Strombelastbarkeit in immer mehr Bereichen eingesetzt. Neben mobilen Produkten für den Endanwender sind sie auch immer häufiger im Feld der Fahrzeugtechnik zu finden. Mit diesen neuen Einsatzgebieten ergeben sich erhöhte Anforderungen an LiIo, unter anderem im Bereich von Modellierung und Lebensdauer. Eine vielversprechende Methode um das Verhalten und den Zustand von LiIo zu untersuchen ist das Verfahren der elektrochemischen Impedanz Spektroskopie (EIS). Bei der EIS werden sinusförmige Wechselsignale verschiedener Frequenzen an ein System angelegt, die Systemantwort gemessen und daraus der Impedanzverlauf über einen definierten Frequenzbereich gebildet. In dieser Arbeit wird der Einsatz von EIS für die Bereiche der Alterungsbestimmung und der Modellierung von LiIo untersucht. LiIo sind nicht lineare dynamische Systeme. Durch EIS werden die verschieden zellinternen Effekte wie z.B. ohmsche Widerstände, Diffusion, Massentransport, etc. sichtbar. Diese Effekte durchlaufen während der Alterung der Zelle Veränderungen, welche sich in einer Abweichung der Impedanzkurve wiederspiegeln. Einhergehend mit dem Anstieg der Impedanz ist auch ein Abfall der Zellkapazität messbar, wobei diese Größen miteinander verbunden sind. Mittels EIS lassen sich diese Veränderungen beobachten und der aktuelle Alterungszustand der Zelle kann bestimmt werden. Da EIS Impedanzdaten für den gesamten relevanten Frequenzbereich einer LiIo liefert, eignet es sich auch zur Modellierung. Das LiIo Impedanzspektrum lässt sich mit linearen elektronischen Bauelementen wie Widerstände und Kondensatoren nachbilden, wobei die erforderlichen Parameter per Optimierungsfunktion bestimmt werden. Die so im Frequenzbereich gewonnen Ersatzschaltungen können dann direkt für Simulationen im Zeitbereich verwendet werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass EIS sowohl für die Modellierung als auch für die Untersuchung des aktuellen Zustands von LiIo geeignet ist. Today Lithium Ion Secondary Batteries (LiIo) are predominantly employed in mobile applications and moreover they are the most propitious candidate for future use in automotive power supply. For successful long term operation of these durable components, LiIos long term cycling and storage behavior becomes increasingly important. In addition the current profiles of these applications require precise dynamic modelling of LiIos. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a promising method to reveal battery characteristics and internal processes through their frequency response. Hence, in this work the capabilities of EIS as a method for the diagnosis of LiIos actual State of Health (SOH) as well as for the development of usable, accurate and reliable equivalent models for representing the battery characteristics are investigated.
Original languageEnglish
Awarding Institution
  • University of Applied Sciences Technikum Wien
Supervisors/Advisors
  • Conte, Fiorentino Valerio, Supervisor
  • Gschohsmann, Walther, Supervisor, External person
Award date9 Jul 2010
Publication statusPublished - 2010

Research Field

  • Not defined

Keywords

  • Lithium Ionen
  • Modellierung
  • Alterung
  • EIS
  • Lithium Ion
  • Modelling
  • Ageing
  • Electrochemical Impedance Spectroscopy

Fingerprint

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