Lithium-Plating ist ein bedeutender Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien, der große Auswirkungen auf deren Leistung und Sicherheit hat.

Dieser Prozess tritt auf, wenn metallisches Lithium an der Anode abgelagert wird, was zu Schäden und Leistungsverlusten führen kann. Es gibt verschiedene Formen des Platings, darunter homogenes, dendritisches und mossy Plating.

Besonders ausgeprägt tritt das Plating bei hohen C-Raten und niedrigen Temperaturen auf.Um die Dynamik des Lithium-Platings besser zu verstehen, wurde in dieser Studie ein mathematisches Modell auf der Grundlage der JMAK-Funktion entwickelt. Das JMAK-Modell, benannt nach den Forschern Johnson, Mehl, Avrami und Kolmogorov, beschreibt die Kinetik von Phasenübergängen und Wachstumsprozessen. Es ermöglicht eine Charakterisierung der Plating-Anomalien und deren Art im Verlauf des Ladestromverlauf. Diese Anomalien zeigen sich typischerweise durch einen kurzfristigen Anstieg des Stroms in der konstanten Spannung (CV)-Phase, gefolgt von einem Rückgang. Das Modell konnte diese Anomalien erfolgreich abbilden, indem es ihnen Parameter wie Plating-Menge, Wachstumsrate und Dimensionalität zuweist, die charakteristische Trends über die Zyklen hinweg aufzeigen.

In dieser Studie wurden die kommerziellen Panasonic NCR18650B-Zellen untersucht. Die durchgeführten Messungen umfassten Plating-Zyklisierungstests bei verschiedenen niedrigen Temperaturen und Laderaten. Vor und nach den Plating-Zyklisierungstests wurden Check-Up Messungen durchgeführt.

Die Ergebnisse der Platingtests zeigten, dass die Plating-Anomalien von den Ladebedingungen, insbesondere Strom und Temperatur, abhängig sind. Bei Temperaturen von -15 °C und -10 °C konnten signifikante Plating-Anomalien detektiert und detailliert analysiert werden. Die berechneten JMAK-Parameter wiesen fallende Trends auf, was auf einen zunehmenden Kapazitätsverlust durch Lithium-Plating hinweist. Darüber hinaus zeigte sich, dass tiefere Temperaturen zu größeren Plating-Mengen führen, jedoch zu homogenerem Plating. Im Gegensatz dazu begünstigen höhere Ladestromraten eher inhomogenes, dendritisches Plating.

Die anschließende Analyse der geöffneten Zellen bestätigte, dass sich die Morphologie des Platings mit zunehmender Zyklenzahl von homogen zu inhomogen entwickelt. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für das Verständnis der Mechanismen, die die Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen.

This research was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate
Action (BMWK), grant number 16BZF341B (LiPi)