Optische Zellensensoren für die Batterieüberwachung : Effekt, Messprinzip und Umsetzung

Abstract

Die vorliegende Arbeit betrachtet einen neuen Ansatz, den aktuellen Zustand von Batterien zu ermitteln. Komplementär zu herkömmlichen Messprinzipien, die von elektrischen Größen ausgehen, wird eine Methode vorgestellt, die die chemischen Vorgänge an der Elektrode direkt auswertbar macht.

Ziel war es dabei, die optische Beobachtung von Kathodenvorgängen während des Batteriebetriebs zu ermöglichen („in operando”). In der Arbeit werden Untersuchungen an Testzellen mit optischem Fenster dargestellt, wobei verschiedene Materialkombinationen zum Einsatz kommen. Dabei wurde erfolgreich gezeigt, dass es einen engen Zusammenhang zwischen dem Ladezustand der Zellen und der gemessenen Reflektivität gibt, wenn ein Markermaterial in die Elektrode eingebracht wird. Die physikalisch-chemischen Ursachen der optischen Veränderungen in der Elektrode werden unter anderem mittels Raman-Spektroskopie untersucht.

Abschließend wird die Integration von Lichtwellenleitern in experimentelle Pouch-Batteriezellen gezeigt. Auch in diesem Aufbau wurde ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen optischen Messsignal und dem Ladezustand der Zelle gefunden.

In this thesis, I present a novel approach to determine the current state of a battery. Complementary to conventional measuring principles based on electrical measurements, I present a method that grants direct access to the chemical processes at the electrode.

The goal is to enable the observation of cathode processes during battery operation („in operando”). Investigations on test cells with optical windows are presented using different combinations of materials. It was successfully shown that a close relationship between the state of charge of the cells and the measured reflectivity exists when a marker material is introduced into the electrode. The physical and chemical causes of the optical changes in the electrode are examined by Raman spectroscopy among other methods.

Finally, the integration of optical waveguides into experimental pouch battery cells is presented. In this setup, a relationship between the measured transmission and the state of charge of the cell was also found.