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Performance and aging analysis of high-power lithium titanate oxide cells for low-voltage vehicle applications
2021
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-29
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10369
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/835197/files/835197.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Alterungsanalyse (frei) ; Lithium-Ionen-Batterien (frei) ; Lithium-Titanat-Oxid (frei) ; Mild-Hybrid Fahrzeuge (frei) ; aging analysis (frei) ; calendar aging (frei) ; kalendarische Alterung (frei) ; lithium titanate oxide (frei) ; lithium-ion batteries (frei) ; mild hybrid vehicles (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die Teilelektrifizierung von Fahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor ist eine wirksame Methode zur Steigerung der Effizienz und zur Reduktion von CO2-Emissionen. Eine Möglichkeit der sogenannten Mild-Hybridisierung ist die Erweiterung des herkömmlichen 12V-Bordnetzes um eine 48V-Spannungsebene, welche eine 48V Lithium-Ionen-Batterie enthält. Ein vielversprechendes Anodenmaterial für eine solche Batterie ist Lithium-Titanat-Oxid (LTO), welches mehrere herausragende Materialeigenschaften besitzt, darunter eine hohe Leistungsfähigkeit, inhärente Sicherheit und eine ausgezeichnete Lebensdauer. Umfassende wissenschaftliche Studien zu massenproduzierten LTO-basierten Zellen sind rar, so dass wesentliche Informationen zu Leistungs- und Alterungsverhalten, insbesondere mit direktem Anwendungsbezug, fehlen. Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von der Analyse charakteristischer Fahrzeugbetriebsbedingungen, die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten einer LTO-basierten Zelle systematisch zu analysieren und deren Eignung für 48V Mild-Hybrid Fahrzeuge zu bewerten. Die untersuchten LTO-basierten Zellen zeigen auch bei hohen Umgebungstemperaturen und hohen Stromraten eine hervorragende Leistungsfähigkeit und Lebensdauer, mit der sie die fahrzeugrelevanten Lebensdaueranforderungen von 200000 km erfüllen. Das kalendarische Alterungsverhalten ist stark temperatur- und ladezustandsabhängig. Dies lässt sich sowohl auf reversible Kapazitätseffekte, verursacht durch einen geometrischen Elektrodenüberhang, als auch auf irreversible Alterungsmechanismen wie eine (passivierende) Deckschichtbildung und eine Gasbildung zurückführen.Partial electrification of vehicles with conventional combustion engines is an effective method to enhance efficiency and reduce CO2 emissions. One way of adding a so-called mild hybridization to existing vehicle architectures is to extend the conventional 12V vehicle electrical system by a 48V voltage level that contains a 48V lithium-ion battery. A promising anode material for such a battery is lithium titanate oxide (LTO), which possesses several outstanding material properties including high-power capability, inherent safety and excellent lifetime performance. Extensive scientific studies on mass-produced LTO-based cells are rare, resulting in a lack of essential information on performance and aging behavior. Based on characteristic 48V battery operating conditions this thesis addresses this knowledge gap. It assesses the suitability of an LTO-based cell type for low voltage vehicle systems by reporting essential performance and aging characteristics. The investigated LTO-based cells show excellent power capability and cycle stability, even at high ambient temperatures and high current rates, and meet the vehicle relevant lifetime requirements of 200,000 km. The calendar aging behavior is strongly dependent on temperature and state of charge. This can be attributed to both reversible capacity effects caused by an overhang of the electrodes as well as irreversible aging mechanisms such as (passivating) surface layer formation and gas formation.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021147600
Interne Identnummern
RWTH-2021-10369
Datensatz-ID: 835197
Beteiligte Länder
Germany
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