Architektur einer Lithium-Ionen-Zelle

REINHART ET AL. (2014) beschreiben die Möglichkeit, mit der Unified Modeling Language eine LIZ darzustellen. Ein ähnlicher Ansatz wird im Folgenden auf Basis der SysML präsentiert.

Das UnterpaketLIZumfasst die beiden bddElektrochemische Grundzelleund Zellaufbau. Das bddElektrochemische Grundzellebeschreibt den Aufbau einer elektrochemischen Grundzelle, deren Porenvolumen mit Elektrolytflüssigkeit ausgefüllt ist. Aus den Komponenten der Grundzelle wird der BlockZellkörper des bddZellaufbaugebildet, das die Architektur der LIZ abbildet.

Elektrochemische Grundzelle

Abbildung A.5 zeigt das bddElektrochemische Grundzellemit den integralen BestandteilenAnode,Kathode,SeparatorundElektrolyt. Die BlöckeAnodeund Kathodeenthalten jeweils Blöcke für das Aktivmaterial und die Trägerfolie der Elektroden, die für den Fall einer doppelseitigen Beschichtung mit zwei Aktiv-materialschichten (siehe Multiplizität [1..2]) ausgeführt sein können. Die beiden Blöcke der Trägerfolien sind jeweils durch die Eigenschaften Material, Dicke so-wie Oberflächenenergie charakterisiert. Die Oberflächenenergien der Trägerfoli-en sind lediglich aufgeführt, damit das bddElektrochemische Grundzelleauch zur Modellierung anderer Fertigungsprozessschritte wie der Elektrodenherstellung angewendet werden kann, wofür ggf. weitere Eigenschaften hinzugefügt wer-den können. Über Enumerationen, die über Schnittstellen in wer-den dazugehörigen Blöcken aufgerufen werden, werden den Instanzen der Blöcke unterschiedliche Werkstoffe zugewiesen. So erhält eine Instanz des BlocksTrägerfolie Anodeüber die EnumerationMaterial_Trae_Anden Werkstoff „Kupfer“. Alle weiteren in der Beschreibung des Systemmodells genannten Enumerationen sind analog aufgebaut, sodass sie nur bei Bedarf genauer beschrieben werden.

Zur Charakterisierung der porösen Medien werden mehr Eigenschaften als für die Charakterisierung der Trägerfolien benötigt. Der BlockPoröses Mediumgibt die Eigenschaften poröser Medien an, die – wie in Abschnitt 2.2 beschrieben – in

Zusammenhang mit der Tränkung des Elektrolyten stehen. Die Blöcke Aktiv-materialschichtundSeparatorsind durch ihre jeweiligen Dicken gekennzeichnet.

Zusätzlich werden ihnen durch die Generalsierung die Eigenschaften des Blocks Poröses Mediumzugewiesen. Der BlockAktivmaterialschichtführt die gemein-samen Eigenschaften der BlöckeAktivmaterialschicht Anodeund Aktivmaterial-schicht Kathodezusammen. Die Zusammensetzung der Aktivmaterialschicht ist durch den jeweiligen Phasenanteil der drei BlöckeAktivmaterial,Bindemittel undLeitzusatzbestimmt. Das Material der Schichten kann nicht als Eigenschaft des BlocksAktivmaterialschichtverwendet werden, da andernfalls die Defini-tion unterschiedlicher Aktivmaterialschichten von Anode und Kathode nicht möglich wäre. Das Material wird daher erst in den BlöckenAktivmaterialschicht AnodesowieAktivmaterialschicht Kathodezugewiesen. Zur Bildung von Instan-zen dieser Blöcke werden mit den Enumerationen „Material_Akt_An“ sowie

„Material_Akt_Ka“ unterschiedliche Aktivmaterialien ausgewählt. Aus den Di-cken der einzelnen Schichtbestandteilen der BlöckeAnode,KathodeundSeparator summiert sich die Gesamtdicke der Grundzelle.

Der BlockElektrolytist durch Dichte, Siedetemperatur, Sättigungsdampfdruck, Oberflächenspannung und Viskosität gekennzeichnet. Diese Eigenschaften sind durch den hinterlegten Phasenanteil der ElektrolytkomponentenLösungsmittel, LeitsalzsowieAdditivbestimmt. Der BlockLösungsmittelist in die Blöcke Offen-kettiges CarbonatundZyklisches Carbonatuntergliedert. Enumerationen in diesen Blöcken ermöglichen es, zwischen verschiedenen offenkettigen und zyklischen Carbonaten auszuwählen. Die Eigenschaften Sättigungsdampfdruck sowie Sie-detemperatur des BlocksElektrolytbeziehen sich auf offenkettige Carbonate, da nur sie ausschlaggebend für das Verdampfungs- und Verflüssigungsverhalten des Elektrolyten sind.

Zellaufbau

Das bddZellaufbau, gezeigt in Abbildung 7.2, beschreibt die Architektur einer LIZ basierend auf den in Unterabschnitt 2.1.6 beschriebenen Zelltypen. Der mechanische Aufbau einer LIZ besteht aus den BlöckenZellkörper,Zellhülleund weiteren Bauteilen wieAbleiter,Spacer(Bauteile zur Fixierung des Zellstapels und zum Auffüllen von Hohlräumen),IsolierungundBefestigungsmaterial. Aus Sicht der Elektrolytbefüllung reduzieren diese weiteren Bauteile das

Totvolu-men und den Einzugsquerschnitt. Sicherheitsvorrichtungen wie beispielsweise eine Berstmembran in der Zellhülle oder eine Überstromschutzeinrichtung (REDDY& LINDEN2011, S. 26.43) sind für das Systemmodell der Befüllung nicht relevant und werden daher nicht aufgeführt.

Der BlockZellkörperkann gestapelt, gewickelt oder gefaltet sein. Alle Zellkör-pervarianten basieren auf den Bausteinen des BlocksElektrochemische Grundzelle aus dem gleichnamigen bdd, sodass dieser Block nochmals im bddZellaufbau auftritt und seine Eigenschaften über die Generalisierung an denZellkörper weitergibt. Der Zellkörper wird mit dem BlockBasiszelleaufgebaut, der wie eine elektrochemische Grundzelle aus den Komponenten Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt besteht. Der Zellkörper besteht aus mehreren aufeinander gesta-pelten Basiszellen oder einem Zellwickel aus einer langen Basiszelle. In diesen Baumustern sind die Elektrodenträgerfolien von Anode und Kathode jeweils beidseitig beschichtet. Einer Schicht Aktivmaterial liegt bei diesem Aufbau zwangsläufig an mindestens einer Seite des Zellkörpers kein entsprechendes Pendant gegenüber, weshalb der Zellkörperaufbau am Rand eine unvollständi-ge elektrochemische Grundzelle aufweist. Dort können Deckschichten verwen-det werden. Abhängig vom Aufbau des Zellkörpers kommt daher entweder der BlockDeckschicht AnodeoderDeckschicht Kathodezum Einsatz. Beide Deck-schichten enthalten jeweils eine einseitig beschichtete Elektrode, Separator und Elektrolyt. Zusätzlich kann der Zellkörper über den BlockDeckschicht Separator mit einer Separatorlage umhüllt werden. Werden Komponenten verbaut, die Kurzschlüsse zwischen Zellkörper und Gehäuse verhindern sollen, können diese mit dem BlockIsolierungbeschrieben werden. Klebestreifen oder weitere Bauteile zur Fixierung des Zellkörpers werden im BlockBefestigungsmaterial zu-sammengefasst. Die Zellkörperarchitektur wird aus der Enumeration Stapelauf-baugewählt. Im BlockZellkörperlassen sich in Abhängigkeit des Stapelaufbaus mit den Eigenschaften Wicklungszahl_oder_Faltungen, Länge, Höhe sowie den im BlockElektrochemische Grundzellehinterlegten Eigenschaften die Größen Volumen_Zellkörper_ges, Volumen_Elektrolyt_ges sowie freies_Volumen_ges berechnen. Die Umhausung des Zellstapels wird im BlockZellhülledefiniert, der sich aus den BlöckenGehäuse,Terminal,FüllöffnungundZellverschluss zu-sammensetzt. Der BlockGehäusedefiniert die Abmessungen einer Zellhülle sowie ihre Eigenschaften Basistyp und Geometrie. In der Enumeration Basis-typwird festgelegt, ob eine „Hardcasezelle“ oder eine „Folienzelle“ modelliert

werden soll. Das Gehäuse wird anhand der EnumerationGeometrie_Zelleals

„prismatisch“ oder „zylindrisch“ spezifiziert. Das Gehäusematerial wird über die EnumerationGehäusematerialdefiniert. Der BlockFüllöffnunggibt die Positi-on einer Öffnung am Zellgehäuse an. Diese Öffnung ist entweder eine Bohrung im Zellgehäuse oder erstreckt sich wie bei Folienzellen über den für das Befüllen noch unversiegelten Bereich der Zellhülle. Eine Füllöffnung im integrierten Ter-minal des Zellgehäuses wie bei SCHUTZRECHTDE 10 2012 212384 A1 ist mit der Positionsangabe ebenfalls möglich. Die Eigenschaft akzeptierte_Anschlüsse legt über die EnumerationFüllanschlussdie Kompatibilität einer Füllöffnung für mehrere Füllanschlüsse fest. Die Füllanschlüsse werden in dem in Abbil-dung 7.3 dargestellten bddAnlagenaufbauspezifiziert. Der BlockZellverschluss stellt über die EnumerationVerschlussartmehrere Möglichkeiten zur Verfügung, um die Füllöffnung zu verschließen.

Der BlockTerminalbeschreibt die Kontakte außerhalb der Zelle, an denen der externe Stromkreis mit der Zelle verbunden wird. Der BlockAbleiterumfasst alle Bestandteile innerhalb der Zelle, die zur Überführung der elektrischen Energie vom Zellkörper an die Terminals notwendig sind. Der BlockAbleiterhat dadurch im Gegensatz zum BlockTerminalEinfluss auf die Eigenschaft Totvolu-men im BlockLIZ. Ableiter sind beispielsweise miteinander verbundene, nicht beschichtete Bereiche der Trägerfolien jeweils einer Elektrodenart, die mit einer zusätzlichen Kontaktfahne stoffschlüssig gefügt wurden. Die Kontaktfahnen wiederum sind mit den Terminals verbunden. Der BlockGasvolumenist die einzige gasförmige Komponente der LIZ. Während des Spülens im Prozes-schritt „Befüllen vorbereiten“ wird Luft durch Inertgas substituiert, welches bei vollständig mit Elektrolyt getränktem Zellkörper im Totvolumen verbleibt.

Da dieses verbleibende Gas keine Umgebungsluft ist, wird es als Komponente definiert und im bddZellaufbauberücksichtigt. Als Eigenschaft des BlocksLIZ berechnet sich das Totvolumen aus den Volumina der Blöcke, die mit dem BlockLIZdirekt über die Komposition in Verbindung stehen. Das Volumen des BlocksGasvolumenwird hier jedoch nicht berücksichtigt. Als wichtige Ei-genschaft des BlocksLIZist Einzugsquerschnitt_real zu nennen, deren Wert sich aus der Eigenschaft Einzugsquerschnitt_theoretisch des BlocksZellkörper abzüglich der Eigenschaft Reduzierung_Einzugsquerschnitt der BlöckeSpacer, IsolierungsowieBefestigungsmaterialergibt. Die Komponenten hinter diesen Blöcken befinden sich in unmittelbarer Nähe zum Zellkörper und schränken

dadurch die Zellkörpertränkung ein. Der reale Einzugsquerschnitt gibt die tat-sächliche Fläche an, über die der Elektrolyt in den Zellkörper eingezogen wird.

Die Eigenschaft Einzugsquerschnitt_real entspricht der Vorgabegröße „Ein-zugsquerschnitt“ des BFD aus Abbildung 6.4. Die Art des Zellkörperaufbaus bestimmt den theoretischen Einzugsquerschnitt. Ist der Zellkörper gewickelt, kann er nur von zwei Seiten getränkt werden, da über die Mantelfläche kein Elektrolyt eindringt. Ist der Zellkörper hingegen gestapelt, kann der Elektrolyt theoretisch von vier Seiten eindringen.