Predicting calendar aging mechanisms in lithium-ion batteries via float current analysis

Azzam, Mohamed; Kowal, Julia; Sauer, Dirk Uwe

doi:10.18154/RWTH-2026-07889

Predicting calendar aging mechanisms in lithium-ion batteries via float current analysis

Azzam, Mohamed^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mohamed Azzam, M. Sc.

ImpressumAachen : Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA), RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 206

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Kowal, Julia (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-07-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-07889
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1040406/files/1040406.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
calendar aging (frei) ; cathode lithiation by salt decomposition (frei) ; float current analysis (frei) ; lithium-ion battery (frei) ; modeling (frei) ; potentiostatic hold (frei) ; sei growth (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die kalendarische Alterung bestimmt in den meisten Langzeitanwendungen die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien, doch ihre zugrunde liegenden Mechanismen lassen sich ohne zerstörende Analyse oder monatelange Kapazitätsmessungen nur schwer beobachten. Die vorliegende Arbeit etabliert den Floatstrom, also den Strom während einer potentiostatischen Haltephase, als aktives diagnostisches Signal der kalendarischen Alterung. Der Floatstrom wird in eine transiente Phase, die aus reversibler Umverteilung wie Polarisation und dem Anodenüberhangeffekt entsteht, und eine stationäre Phase, die die irreversible Degradation abbildet, getrennt. Spannungsabhängige Skalierungsfaktoren, abgeleitet aus den Steigungen der Leerlaufspannungskennlinien, zerlegen den stationären Strom in seine beiden Pfade, SEI-Wachstum und Kathodenlithiierung durch Leitsalzzersetzung, validiert anhand des Kapazitätsverlusts über drei 18650-Zellchemien (LFP, NCA, NMC) mit Graphitanoden. Damit wird ein blinder Fleck der herkömmlichen kapazitätsbasierten Prüfung sichtbar: Bei hohen Spannungen kompensiert in der Kathode eingelagertes Lithium einen Teil des Lithiumverlusts, sodass der Kapazitätsverlust allein die tatsächliche Degradation unterschätzt. Die Temperaturvariation trennt darüber hinaus entropieinduzierte von alterungsbedingten Strömen, und der Vergleich mit dem Abfall der Leerlaufspannung zeigt, dass die potentiostatische Haltephase keine zusätzliche Alterung hervorruft. An einer weiteren Zelle verknüpft die Impedanzspektroskopie die Kathodenlithiierung mit einem Anstieg des Ladungstransferwiderstands der Kathode, während ICP-OES den Lithiumverlust durch SEI-Wachstum sowie die Lithiumzunahme und Phosphorablagerungen auf der Kathode bestätigt. Indem ein einzelnes, kontinuierlich messbares Signal in elektrodenspezifische Degradation aufgelöst wird, etabliert diese Arbeit die Floatstromanalyse als Werkzeug für die Alterungsforschung und die Lebensdauerprognose.

Calendar aging determines the lifetime of lithium-ion batteries in most long-term applications, yet its underlying mechanisms are difficult to observe without destructive analysis or months of capacity testing. This dissertation establishes float current, the residual current measured during a potentiostatic hold, as an active diagnostic signal of calendar aging. The float current is separated into a transient phase, arising from reversible redistribution such as polarization and the anode overhang effect, and a steady-state phase reflecting irreversible degradation. Voltage-dependent scaling factors derived from open-circuit voltage slopes decompose the steady-state current into its two pathways, SEI growth and cathode lithiation by salt decomposition, validated against capacity fade across three 18650 chemistries (LFP, NCA, NMC) with graphite anodes. This exposes a blind spot of conventional capacity-based testing: at high voltages, lithium trapped in the cathode compensates part of the lithium loss, so capacity fade alone underestimates the true degradation. Temperature variation further separates entropy-induced from aging currents, and benchmarking against open-circuit voltage decay shows that the potentiostatic hold does not induce additional aging. On a further cell, impedance spectroscopy links cathode lithiation to rising cathode charge-transfer resistance, while ICP-OES confirms lithium loss from SEI growth as well as lithium increase and phosphorus deposits on the cathode. By resolving a single, continuously measurable signal into electrode-specific degradation, this work establishes float current analysis as a tool for aging research and lifetime prediction.

OpenAccess:
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