Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet, von tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen. Dennoch stellt das Phänomen des Lithium-Plating eine erhebliche Herausforderung dar. Lithium-Plating tritt auf, wenn Lithium-Ionen während des Ladevorgangs an der Anode abgeschieden werden, anstatt in die Elektrodenstruktur einzudringen. Dies kann nicht nur zu einem Verlust der Batteriekapazität führen, sondern auch Sicherheitsrisiken wie Überhitzung oder sogar Brandgefahr hervorrufen. Daher ist es wichtig, die Anfälligkeit von Li-Ionen-Zellen für dieses Phänomen zu charakterisieren, um sowohl die Lebensdauer der Batterien zu verlängern als auch die Sicherheit zu erhöhen.
Ziel dieser Studie ist es, einen standardisierten elektrischen Schnelltest zu entwickeln, der die Neigung kommerzieller Lithium-Ionen-Zellen zum Lithium-Plating charakterisiert und bewertet. Durch die Ermittlung der Betriebsgrenzen in Bezug auf Strom und Temperatur soll Verbrauchern die Auswahl geeigneter Zellen für spezifische Anwendungen erleichtert werden.
In dieser Studie wurden zwei Zelltypen untersucht: Panasonic mit einer reinen Graphitanode und Sony mit einer Graphitanode mit Siliziumanteil. Zur Charakterisierung der Zellen wurden drei Testphasen durchgeführt: ein Check-up-Test vor dem Plating, der Plating-Test selbst und ein abschließender Check-up-Test. Der Check-up-Test vor dem Plating umfasste fünf Kapazitätsmessungen und einen Pulstest. Alle Zellen wurden gemäß dem CCCV-Verfahren mit einer Stromrate von 1C geladen und mit einer Stromrate von 0,2C entladen. Der Test wurde bei 25 °C durchgeführt und hatte das Ziel, Parameter wie den Innenwiderstand und die Kapazität der neuen Batterien zu ermitteln. Darüber hinaus wurde der Trend des Kapazitätsverlusts nach jedem Zyklus unter Raumtemperaturbedingungen evaluiert. Um eine konstante Temperatur zu gewährleisten, wurde ein spezieller Aluminiumblock konstruiert. Jede Zelle wurde während der Messungen in diesem Block platziert, und die Temperatur wurde mit dem PT100-Sensor während aller Messungen erfasst.
Für den Plating-Test wurden drei Temperaturen (-10 °C, -15 °C und -20 °C) sowie drei verschiedene Ladestromraten (0,5 C, 1 C und 1,5 C) gewählt. Bei jeder Testdurchführung wurden vier neue Zellen jedes Typs ausgewählt, wobei jede Kombination aus Temperatur und Strom getestet wurde. Die Zellen wurden während der Platingtests gemäß dem CCCV-Verfahren (Konstantstrom, Konstantspannung) geladen und mit einer Entladungsrate von 0,2 C im CC-Verfahren entladen.
Nach dem Plating wird ein erneuter Check-up-Test durchgeführt, der aus einer Kapazitätsmessung und einem Pulstest besteht. Dadurch können die Kapazitätswerte nach dem Plating-Test mit den Werten des letzten Zyklus vor dem Plating-Test verglichen werden, um den durch irreversibles Plating verursachten Kapazitätsverlust zu bestimmen. Die Analyse der Spannungsentladekurve mittels Differentialspannungsanalyse (DVA) dient der Bestimmung der reversiblen Platingmenge, wobei die Zusammenhänge zwischen Temperatur und Strippingmenge sowie zwischen Strom und Strippingmenge analysiert wurden. Wenn Plating aufgetreten ist, zeigt sich in der Spannungsentladekurve ein Plateau.
Zusätzlich wurde der Kapazitätsvergleich vor und nach dem Plating zur Bestimmung der irreversiblen Platingmenge herangezogen. Dieser Test ermöglicht es, die Zusammenhänge zwischen Plating und den spezifischen Testbedingungen zu identifizieren und die Zellen bezüglich ihres Platingverhaltens zu charakterisieren.