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Diese Forschung zielt darauf ab, zu verstehen, wie Vorspannungsdruck und Pufferpolster den Abbau von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen.

February 25, 2026

Auswirkungen des Vorspannungsdrucks und Pufferpolster auf die gekoppelte elektrochemisch-mechanische Alterung von LiFePO4-Beuteln

Key Points

Diese Forschung zielt darauf ab, zu verstehen, wie Vorspannungsdruck und Pufferpolster den Abbau von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen.
Untersuchung von Lithium-Eisenphosphat/Graphit-Beutelzellen unter verschiedenen Vorspannungsstufen und Pufferpolster-Konfigurationen.
Durchführung von Tests bei Schnellladung, konventionellem Zyklusbetrieb und Hochtemperaturspeicherung.
Überwachung der Expansionskraft zur Entkopplung mechanischer Wachstumsbeiträge.
Bei Schnellladung erhielt niedriger Vorspannungsdruck die höchste Kapazitätserhaltung, während hoher Vorspannungsdruck aufgrund von Spannungsakkumulation schnelle Kapazitätsverluste verursachte.
Pufferpolster verteilten bei mittlerem Vorspannungsdruck effektiv Spannungen und verzögerten die Degradation.
Beim konventionellen Zyklusbetrieb und der Lagerung hatten Vorspannung und Pufferung minimale Auswirkungen, jedoch führte hoher Vorspannungsdruck zu mechanischer Relaxation.

Abstract

Zusammenfassung Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LiBs) wird stark durch mechanische Zwänge während der Modulmontage beeinflusst, dennoch sind die gekoppelten Effekte von Vorspannungsdruck und Pufferpolstern auf die elektrochemisch-mechanische Degradation noch unzureichend verstanden. Hier untersuchen wir Lithium-Eisenphosphat-(LFP)/Graphit-Beutelzellen, die Vorspannungsstufen von 0,1–2,0 MPa und verschiedene Pufferpolster-Konfigurationen unter Schnellladung (3C/1C), konventionellem Zyklusbetrieb (1C/1C) und Hochtemperatur-Kalenderspeicherung (60 °C 100 % SOC) ausgesetzt sind. Ein speziell entwickeltes, kraftmessendes Prüfgerät ermöglichte die Echtzeitüberwachung der Expansionskraft, wodurch irreversible mechanische Zunahmen in Beiträge aus der Bildung der festen Elektrolyt-Interphase (SEI), Elektrodenerhärtung und viskoelastischer Relaxation entkoppelt werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Vorspannungsdrucks stark vom Alterungsmodus abhängt: Bei Schnellladung bewahrte ein geringer Vorspannungsdruck die höchste Kapazitätserhaltung, während ein übermäßiger Vorspannungsdruck die Spannungsakkumulation durch Lithiumabscheidung förderte und einen raschen Kapazitätsverlust verursachte; bei mittlerem Vorspannungsdruck verteilten Pufferpolster die Spannungen neu und unterdrückten das irreversible Kraftwachstum, wodurch die Degradation verzögert wurde. Demgegenüber hatten Vorspannung und Pufferung beim konventionellen Zyklusbetrieb und der Kalenderspeicherung nur geringe Auswirkungen auf die Kapazitätserhaltung, obwohl hoher Vorspannungsdruck eine signifikante mechanische Relaxation verursachte, insbesondere bei weichen Polstern. Unter allen Bedingungen zeigte sich eine Kombination aus mittlerem bis niedrigem Vorspannungsdruck mit Pufferpolstern als günstigste Konfiguration, die Zyklusstabilität und Lagerungsbeständigkeit ausbalanciert. Diese Ergebnisse heben das synergistische Zusammenspiel von SEI-Wachstum, Spannungsakkumulation und viskoelastischer Relaxation bei der Steuerung der Batteriealterung hervor und liefern umsetzbare Leitlinien für ein rationales Design von Vorspannung und Pufferpolstern, um sicherere, langlebigere und schnellladefähige LiB-Systeme zu erreichen.

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