Optimierung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien mit Schaumstoff-Kompressionspads

Die Wahl des richtigen Materials für Kompressionspads ist entscheidend, um über den gesamten Lebenszyklus der Zelle hinweg den idealen Druck aufrechtzuerhalten. Ein zu hoher Druck kann mechanische Schäden verursachen, die Lebensdauer der Zelle verkürzen und Sicherheitsrisiken erhöhen. Ein zu geringer Druck hingegen kann zu ineffizienter Batterieleistung und einer verkürzten -lebensdauer führen.

Lithium-Ionen-Zellen dehnen sich beim Laden aus und gehen beim Entladen wieder in den Ausgangszustand zurück. Das Kompressionspad muss sich diesen Volumenänderungen anpassen, indem es sich entsprechend komprimiert und dekomprimiert, dabei jedoch eine gleichmäßige Kraft auf die Batteriezelle ausübt. Hersteller empfehlen in der Regel einen spezifischen Druck, der bei der Installation angewendet werden soll (sogenannter Beginning-of-Life- oder BOL-Druck), um eine optimale Zellleistung während der Nutzungsdauer sicherzustellen.

Das Kompressionsverhalten ist ein zentraler Aspekt bei der Materialauswahl und lässt sich anhand der Druck-Spannungs-Kurve beschreiben. Das Material muss in der Lage sein, die Anfangskraft (bei BOL) aufzubringen und gleichzeitig die Expansion der Zelle während des Betriebs zulassen. Gegen Ende der Lebensdauer der Zelle (End- of-Life, EOL) tritt eine irreversible Quellung auf, die durch das Wachstum der Festelektrolyt-Interphase (Solid Electrolyte Interphase, SEI) verursacht wird. Auch in dieser Phase muss das Kompressionspad einen kontrollierten Druck aufrechterhalten, ohne Grenzwerte zu überschreiten, die die Zelle oder das Modulgehäuse beschädigen könnten.

Um eine lange Lebensdauer der Zelle über zahlreiche Lade- und Entladezyklen zu gewährleisten, muss das Kompressionspad zudem langlebig sein. Dabei sind im Hinblick auf die Bewertung der Langzeitbeständigkeit und der Leistungsfähigkeit mehrere Eigenschaften relevant: erstens der Druckverformungsrest (Compression Set Resistance), zweitens die Spannungsrelaxation (Stress Relaxation) und drittens die Hysterese. Der Druckverformungsrest beschreibt dabei die Fähigkeit des Elastomerpads, nach einer Kompression wieder in seine ursprüngliche Dicke zurückzukehren. Die Spannungsrelaxation bezeichnet die Eigenschaft des Elastomermaterials, unter andauernder Kompression ein konstantes Spannungsniveau beizubehalten. Dies ist wichtig, um sowohl den erforderlichen Anfangsdruck (bei BOL) als auch die optimalen Druckverhältnisse über die gesamte Lebensdauer der Batterie sicherzustellen. Die Hysterese definiert die Leistung des Elastomerpads bei wiederholten Kompressions- und Dekompressionszyklen. Ein Pad mit geringer Hysterese verliert während dieser Zyklen wenig Energie und kann daher dauerhaft einen konstanten, zuverlässigen Druck ausüben. Dies ist besonders bei Festkörperzellen wichtig, bei denen Elektroden und Festelektrolyt in engem, konstantem Kontakt bleiben müssen, um einen effizienten Ladungsfluss zu ermöglichen. Verliert das Pad an Druck, können selbst kleinste Lücken diesen Kontakt stören und die Leistung beeinträchtigen.

Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit verschiedener Kompressionspadmaterialien wurde eine Studie mit einer Pouch-Zelle (NMC811, 70 Ah) durchgeführt. Die Zelle wurde kontinuierlich mit einer C-Rate von 1C geladen und entladen. Der Installationsdruck (bei BOL) wurde entsprechend den Empfehlungen des Zellherstellers auf 15 kPa festgelegt, und die Zelle wurde bis zum Erreichen von 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität zyklisch geladen und entladen.

Vier Polyurethan(PU)-Schäume mit unterschiedlichem Kompressionsverhalten und differierenden Haltbarkeitseigenschaften wurden ausgewählt, um ihren Einfluss auf die Kapazitätserhaltung über die Zeit zu analysieren, Bild 1. Das erste Material, Poron EVExtend (grüne Kurve im Diagramm), wurde speziell entwickelt, um ein ideales Kompressionsverhalten in Lithium-Ionen-Batteriesystemen zu erzielen. Es erreicht den angestrebten BOL-Druck bei minimaler Kompression. Während des Lade- und Entladevorgangs erfolgen Kompression und Dekompression im Plateaubereich der Kurve, was einen stabilen Druck gewährleistet. Das zweite Material, ein weiterer Schaum mit der Bezeichnung Poron 92-12 (blaue Kurve), ist stark komprimierbar, weist jedoch eine geringe Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve auf. Um den Ziel-BOL-Druck zu erreichen, wurde dieses Material auf etwa ein Drittel seiner ursprünglichen Dicke komprimiert. Das dritte Material (gelbe Kurve) zeigt ein ähnliches Kompressionsverhalten wie der zweite Poron-Schaum, weist jedoch insgesamt eine geringere Haltbarkeit auf und ist für den Einsatz in diesem Versuch und in diesem Einsatzfall weniger geeignet als die verglichenen Materialien. Das vierte Material ist Poron EVExtend (grüne Kurve), kombiniert mit einem thermischen Isolationsmaterial (graue Kurve). Diese Kombination wird häufig in Anwendungen zur Eindämmung der thermischen Durchgehreaktion (Thermal Runaway Propagation, TRP) eingesetzt und wurde in die Studie aufgenommen, um den Einfluss des thermischen Isolators auf die Zyklenfestigkeit zu bewerten. Es ist anzumerken, dass neben einem thermischen Isolator auch andere Materialien für die Applikation herangezogen werden können, wie ein sogenanntes Phase-Change-Elastomer.

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Die Haltbarkeit der PU-Schäume wurde mittels Prüfung des Druckverformungsrests unter beschleunigten Alterungsbedingungen (70 % Kompression bei 70 °C) untersucht. Die beiden Poron-Schäume zeigten nur minimalen Dickenverlust, was auf eine gute Rückstellfähigkeit hinweist. Im Gegensatz dazu wies die Kombination aus Poron-Material und dem thermischen Isolator einen deutlich höheren Druckverformungsrest auf - hauptsächlich aufgrund der eingeschränkten Rückstellfähigkeit des Isolators. Im Vergleich zeigt dieser Versuch, dass ein für die Applikation nicht geeigneter PU-Schaum nach der Kompression nur etwa ein Drittel seiner ursprünglichen Dicke beibehält und deshalb für den Einsatz in Batteriesystemen bedingt geeignet ist.

Diese Unterschiede in der Haltbarkeit spiegelten sich in den Ergebnissen des Zellzyklustests wider, bei dem deutliche Unterschiede in der Kapazitätserhaltung beobachtet wurden, Bild 2. Das leistungsstärkste Material, Poron EVExtend, ermöglichte über 2100 Lade-/Entladezyklen, bevor die Zellkapazität auf 80 % des ursprünglichen Werts sank. Dies entspricht einer Lebensdauersteigerung von ungefähr 200 % im Vergleich zu einem Referenztest, bei dem kein Kompressionspad verwendet wurde und sich die Zelle ohne mechanische Einschränkung ausdehnen und zusammenziehen konnte. Wurde dasselbe Poron-EVExtend-Pad mit einem thermischen Isolator kombiniert, sank die Anzahl der erreichbaren Zyklen auf unter 1400 - was zeigt, dass die thermische Schicht die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusste. Beim Schaum mit dem geringsten Druckverformungsrest wurde die 80-%-Kapazitätsgrenze bereits nach rund 1150 Zyklen erreicht.

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Während des Tests wurden Kraftdaten aufgezeichnet, um den Druckunterschied (Δp) zwischen dem entladenen und vollgeladenen Zustand der Zelle zu berechnen. Dies ergab für jedes Kompressionspadmaterial eine charakteristische Kurve, Bild 3. Eine flachere Kurve, also eine geringere Steigung, weist auf eine bessere Leistung hin, da sie zeigt, dass der Schaum den Druck während der Lade- und Entladezyklen konstanter aufrechterhält. Die Batteriezelle in diesem flacheren Bereich der Kurve zu betreiben, ist entscheidend, um die Kapazität möglichst lange zu erhalten.

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Drei Faktoren können dazu führen, dass Δp schnell ansteigt und somit die Wirksamkeit des Schaumstoffpads verringert wird. Diese sind Schaumdicke, unzureichende Rückstellfähigkeit (hoher Druckverformungsrest) sowie ungeeignete Druck-Spannungs-Kurve des Materials:

Nach Abschluss des Zyklustests wurden die PU-Schäume entfernt und ihre Kompressionskurven erneut gemessen, um sie mit den Ausgangskurven vor dem Test zu vergleichen, Bild 4 und Bild 5. Bei den leistungsstärksten Materialien zeigten die Kurven nach dem Test eine leicht weichere Charakteristik, was darauf hinweist, dass während des Zellzyklustests eine gewisse Spannungsrelaxation stattgefunden hat. Diese spielt insbesondere dann eine wichtige Rolle, wenn sich die Batterie dem EOL-Zustand nähert. Zu diesem Zeitpunkt hat die Zelle eine dauerhafte Quellung erfahren, wodurch der Betrieb in den steileren Bereich der Kompressionskurve des Schaums verschoben wird. Dies führt zu einem höheren Druckunterschied (Δp) während des Lade-/Entladebetriebs. Eine moderate Spannungsrelaxation des Schaummaterials kann hier sogar vorteilhaft sein, da sie den durch die Zellquellung verursachten Druckaufbau reduziert - was dazu beitragen kann, die Batterieleistung bis zum Ende ihrer Lebensdauer zu stabilisieren oder sogar zu verlängern.

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Die Kombination eines Poron-PU-Kompressionspads mit einem thermischen Isolator hat einen deutlichen Einfluss auf das gesamtmechanische Spannungs-Dehnungs-Verhalten. Insbesondere verändert die zusätzliche thermische Schicht die Form der Kompressionskurve. Wenn die thermische Barriere eine geringe Rückstellfähigkeit aufweist, wird das Plateau der Kurve deutlich verkürzt. Dadurch gerät die Zelle bereits nach wenigen Zyklen in den steileren Bereich der Kompressionskurve - mit der Folge größerer Druckdifferenzen (Δp) während des Betriebs.

Die vorgestellte Untersuchung unterstreicht die zentrale Rolle von Kompressionspads - nicht als einfache Abstandshalter, sondern als aktive Komponenten, die die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer von Batteriezellen direkt beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass die richtige Materialwahl, etwa Poron EVExtend, die Haltbarkeit der Batterie deutlich verbessern kann, indem sie über tausende Lade- und Entladezyklen hinweg einen konstanten Druck aufrechterhält. Umgekehrt können Materialien mit schlechter Kompressionsbeständigkeit, unzureichender Spannungsrelaxation oder ungeeigneten Kompressionseigenschaften den Leistungsabfall beschleunigen, insbesondere wenn sich die Zelle ihrem EOL nähert.

Zudem gilt, dass thermische Isolatoren zwar zur Erhöhung der Sicherheit bei einem thermischen Durchgehen beitragen können, allerdings müssen sie mechanisch sorgfältig abgestimmt sein, beispielsweise auf ein PU- oder Silikonschaummaterial. Wenn sie das Spannungs-Dehnungs-Verhalten negativ beeinflussen, kann dies langfristig die Zelllebensdauer beeinträchtigen.

Letztlich geht es bei der Wahl des richtigen Kompressionsmaterials nicht nur darum, den gewünschten BOL zu erreichen. Entscheidend ist, wie sich das Material unter Alterung, Zellquellung und sich verändernden Innendruckbedingungen verhält. Je komplexer und zuverlässiger Batteriesysteme werden, desto wichtiger wird die Auswahl des Kompressionsmaterials als Designentscheidung mit direktem Einfluss auf Lebensdauer, Sicherheit und Gesamtkosten des Systems. Die Optimierung der Batterielebensdauer beginnt daher mit dem Druckmanagement, und gutes Druckmanagement beginnt mit dem richtigen Schaumstoff.