5. Auswertung 52
5.2. Messungen mit der Kamera
5.2.2. LiFePO 4 - typischer Verlauf
0 5 10 15 20 25 3.2
3.4
Time [hrs]
Voltage[V] Voltage over Time
0 5 10 15 20 25
−505 10
Time [hrs]
Current[µA]
Current over Time
0 5 10 15 20 25
0 40 80
Time [hrs]
Charge[µAh]
Charge over Time
0 5 10 15 20 25
1 2
x 104
Time [hrs]
intensity
Absolute values of Intensity, Compensated
Abbildung 5.6.: MR25Z3P03 - Zeitliche Verläufe der elektrischen Messdaten und der Inten-sitäten der RGB-Kanäle während der Messung
Zur Versuchsdurchführung ist der cC-Modus gewählt, der die Zelle für 10 Stunden auflädt, ehe sie anschließend für dieselbe Zeit entladen wird. Durch die langsame Ansteuerung des Zykliersystems werden statt der erwarteten 100Ah nur ungefähr 90Ah Ladungsänderung erreicht.
Deutlich zu erkennen ist in der Messwertaufnahme ein Einbruch der Spannung nach ca.
20 Stunden. Dies deutet darauf hin, dass die Zelle fast vollständig entladen ist. Trotz der, im Gegensatz zur Messung mit ITO-Zellen (Abschnitt 5.2.1) starken Ladungsänderung, sind die Intensitätsänderungen in den RGB-Kanälen der LiFePO4-Zellen, im Vergleich zu den Messungen der ITO-Zellen eher schwach ausgeprägt, jedoch noch deutlich erkennbar.
0 5 10 15 20 25 30
−50 0 50 100
Time [hrs]
Charge[µAh]
Charge and Intensity−Red over Time
0 5 10 15 20 25 307500
8000 8500 9000
Intensity−Red
charge Intensity−Red
0 5 10 15 20 25 30
−100 0 100
Time [hrs]
Charge[µAh]
Charge and Intensity−Green over Time
0 5 10 15 20 25 301.7
1.8 x 101.94
Intensity−Green
charge Intensity−Green
0 5 10 15 20 25 30
−100 0 100
Time [hrs]
Charge[µAh]
Charge and Intensity−Blue over Time
0 5 10 15 20 25 302.5
2.6 x 102.74
Intensity−Blue
charge Intensity−Blue
0 5 10 15 20 25 30
3 3.5 4
Time [hrs]
Voltage[V]
Voltage and Intensity−Red over Time
Voltage[V]Voltage[V]
0 5 10 15 20 25 30
3 3.5 4
Time [hrs]
Voltage and Intensity−Green over Time
0 5 10 15 20 25 30
3 3.5 4
Time [hrs]
Voltage and Intensity−Blue over Time
0 5 10 15 20 25 307000
8000 9000
Intensity−Red
voltage Intensity−Red
0 5 10 15 20 25 301.7
1.8 x 101.94
Intensity−Green
voltage
Intensity−Green
0 5 10 15 20 25 302.5
2.6 x 102.74
Intensity−Blue
voltage Intensity−Blue
Abbildung 5.7.: MR25Z3P03 - Zusammenhang der zeitlichen Verläufe der RGB-Kanalintensitäten und
- in den oberen 3 Abbildungen: dem Ladungsverlauf - in den unteren 3 Abbildungen: dem Spannungsverlauf
Die Intensitätsverläufe der RGB-Kanäle entsprechen größtenteils den Erwartungen. Sie steigen bei einem linearen Anstieg der Ladung ebenfalls linear an. Bei der Entladung gibt es jedoch Differenzen in der Ausprägung der abfallenden Ladungs- und Intensitätskurven.
Zwar beginnen die Intensitätskurven mit ungefähr der negativen Steigung der Aufladekurve abzufallen, im Verlauf der Entladung werden sie jedoch weniger steil, bevor sie zum Ende hin sehr stark absinken.
Eine mögliche Erklärung für den starken Abfall zum Ende der Entladung ist in Abbildung 5.7 dargestellt. Im Bereich des konstanten Spannungsabfalls während der Entladung, fallen auch die RGB-Werte konstant ab. Durch die fortschreitende Entladung beginnt die Zelle schneller an Spannung zu verlieren. Mit Beginn dieses stärkeren Spannungsabfalls, verlie-ren auch die RGB-Werte schneller an Intensität.
Auf der nachfolgenden Seite sind die optischen Änderungen der Elektrodenfläche im Verlauf der Messung dargestellt. Während die obere Darstellung die Zelle in aufgeladenem Zustand zeigt, hat diese zum Zeitpunkt der Aufnahme des unteren Bildes ihren tiefsten Ladungszu-stand erreicht.
Zu erkennen ist, dass der optische Effekt beim Laden der Zelle von den Seiten und von un-ten eintritt. Hieraus kann geschlossen werden, dass die Lithium-Ionen , die sich während der Zellenladung zur Anode bewegen, zuerst aus den Randregionen der Kathode stammen und sich der Effekt bei einer weiteren Ladung in Richtung Kathodenmitte konzentriert.
Im umgekehrten Fall, der Entladung, setzen sich die Lithium-Ionen von Rand her wieder in die Kathode ein, bis die Zelle vollständig entladen ist und die Kathode ihren ursprünglichen optischen Zustand wieder einnimmt.
Abbildung 5.8.: MR25Z3P03 - Optische Änderungen der Elektrode im Verlauf der Messung oben: Zustand zum Zeitpunkt der maximalen Ladung
unten: Zustand zum Zeitpunkt der maximalen Entladung
In folgender Abbildung ist mit der Messung MR26Z4P02 ein längerer Verlauf der Zyklierung dargestellt. Auch diese Zelle besteht aus 83 % LiFePO4 und 15 % ITO und wird im cC-Modus zykliert. Die Ladung erfolgt mit einem Strom von 5 A und die Entladung mit 10A.
Bei Erreichen der oberen, beziehungsweise unteren, Schwellspannung endet der jeweilige Zyklus.
Am Verlauf der Spannung ist deutlich eine Alterung der Zelle zu erkennen. Die Zykluszeiten verkürzen sich aufgrund des immer schnelleren Erreichens der Schwellspannung bei gleich bleibenden Strömen. Die Zelle nimmt dadurch im Ladefall weniger Ladung auf, die sie im Entladezyklus wieder abgeben kann. Anfangs bestätigen die Verläufe der RGB-Farbkanäle die in Abbildung 5.6 gemachten Erkenntnisse. Bei zunehmender Dauer der Messung werden aufgrund der immer geringer werdenden Ladungsänderungen jedoch auch ihre Intensitäts-änderungen geringer, bis nach circa 80 Stunden in dieser Darstellung keine Änderungen der Intensität mehr zu erkennen sind.
0 50 100 150
3 3.5
Time [hrs]
Voltage[V] Voltage over Time
0 50 100 150
−8−404
Time [hrs]
Current[µA]
Current over Time
0 50 100 150
0 20 40
Time [hrs]
Charge[µAh]
Charge over Time
0 50 100 150
100140 180
Time [hrs]
intensity
Absolute values of Intensity, Compensated
Abbildung 5.9.: MR26Z4P02 - Zeitlicher Verlauf der elektrischen Messdaten und RGB-Farbkanäle über einen längeren Zeitraum und deutlich erkennbare Alterung der Zelle
In der Abbildung 5.10 ist der Zusammenhang zwischen der Ladung der Zelle und den RGB-Farbkanalwerten veranschaulicht. Über die X-Achse ist der Verlauf der Ladung dargestellt.
Das Maximum von circa 40 A wird nur im ersten Zyklus erreicht. Die Verläufe der Zyklen werden zwar mit der Zeit sowohl in der Intensität des Kanals als auch im Ladungswert kleiner, das Verhältnis zwischen den beiden Werten bleibt aber gleich, wodurch die Verläufe übereinander liegen. Lediglich der Verlauf der ersten Ladephase liegt deutlich daneben. Ver-mutlich dauert es einen Zyklus, bevor die Zelle ihren eingeschwungenen Zustand erreicht hat.
0 10 20 30 40
70 72 74 76 78 80 82
Charge [µAh]
Opticalintensity(compensated)−Red
Intensity(C)−Red over Charge
0 10 20 30 40
115 120 125 130 135
Charge [µAh]
Opticalintensity(compensated)−Green
Intensity(C)−Green over Charge
0 10 20 30 40
168 170 172 174 176 178 180 182 184 186
Charge [µAh]
Opticalintensity(compensated)−Blue
Intensity(C)−Blue over Charge
Abbildung 5.10.: MR26Z4P02 - Zusammenhang der RGB-Farbkanäle mit dem Ladezustand der Zelle
links: roter Farbkanal mitte: grüner Farbkanal rechts: blauer Farbkanal