Fortschrittliche Energiespeichertechnologien
Lithium-Ionen-Batterietechnologie:
Verbesserte weltwirtschaftliche Rahmenbedingungen, steigende verfügbare Einkommen, der Bedarf an sauberer Energie und die steigende Nachfrage nach Qualität und unterbrechungsfreier Stromversorgung sind einige der Hauptfaktoren, aufgrund derer die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien erwartungsgemäß deutlich ansteigen wird. Es wird erwartet, dass Leistungsdichte, Sicherheit, Ladezeit, Kosten und andere Aspekte der Technologie weiter verbessert werden.
Elektrodenanalyse:
Kathode/Anode:
Die theoretische Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie wird durch die verwendeten Materialien bestimmt. Bei der Elektrodenverarbeitung haben Kenntnisse der Partikelmorphologie – einschließlich Partikelgröße, Form, Pulverdichte, Porosität und Oberflächenbeschaffenheit – einen entscheidenden Einfluss auf die Herstellbarkeit und die gewünschten Leistungsmerkmale der Elektrode.
Porositätsmessungen:
Durch die Kontrolle der Porosität kann eine höhere Leitfähigkeit zwischen den Elektroden erreicht werden, um einen ausreichenden Elektronenaustausch sowie ausreichend Hohlraum für den Elektrolytzugang/-transport von Lithium-Ionen zur Interkalation der Kathode zu gewährleisten. Die Blockierung/Verstopfung der Porosität bei der Interkalation kann zu Kapazitätsschwund führen.
Bewertung des Separators/Binders:
Ein üblicher Separator besteht aus Polyolefinen, in der Regel Polypropylen und bzw. oder Polyethylen, sowie anderen Polymeren, Keramik und Keramik/Polymer-Mischungen.
Bindermaterialien werden verwendet, um die aktiven Partikel des Elektrodenmaterials zusammenzuhalten und in Kontakt mit den Stromabnehmer zu halten, d. h. mit der Aluminiumfolie der Kathode oder der Kupferfolie der Anode.
Porositätsmessungen:
Surface Area and Porosity Instrument
Gas Displacement Pycnometer System
Mercury Intrusion Porosimetry System
Porengröße, Form, Verteilung und Tortuosität:
Mercury Intrusion Porosimetry System
Eine gleichmäßige Verteilung und eine gewundene Struktur (Tortuosität) der Poren sind ebenfalls erforderlich. Eine gleichmäßige Verteilung verhindert eine ungleichmäßige Stromverteilung im Separator und durch die Tortuosität wird die Entstehung von dendritischem Lithium unterdrückt.
Elektrolytanalyse:
Eine hohe Reinheit ist erforderlich, um Oxidation an der Elektrode zu vermeiden und eine gute Zykluslebensdauer zu fördern. Neben dem Lithiumsalz werden der endgültigen Elektrolytlösung verschiedene Zusatzstoffe hinzugefügt. Diese Zusatzstoffe werden mit der LiPF6-Lösung vermischt, um der Bildung von dendritischem Lithium und der Zersetzung der Lösung vorzubeugen.
Zetapotenzial:
Fertigungs- und Fehleranalyse:
Von den Rohstoffen über die Bauteilherstellung bis hin zur montierten Batterie spielt die Beschreibung von Werkstoffen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der gewünschten elektrochemischen Leistung, Sicherheit, des Zellzyklus und anderer wichtiger Parameter.
Partikelgröße/Partikelform – Rohstoffe:
Es hat sich gezeigt, dass die Partikelgrößenverteilung von Graphit sowie die Partikelausrichtung in der beschichteten Folie die elektrochemische Leistung von Graphitanoden beeinflusst. Außerdem ist die Reinheit sehr wichtig. Daher dürfen in allen Pulvern und Zusatzstoffen, die bei der Elektrodenherstellung verwendet werden, nur geringe metallische Verunreinigungen vorhanden sein.
Kalandrierung/Feststoffanteilsbestimmung:
Der kritischste Schritt bei der Herstellung von Hochleistungselektroden ist die Kalandrierung. Die Porosität und Stärke der Elektrodenfolie nehmen mit zunehmender Kalandrierung ab. Außerdem ist zu erwarten, dass sich durch die Kalandrierung die Porenstruktur der Elektrode verändert, was das Benetzungsverhalten der Folie durch den Elektrolyten beeinflussen würde.
Eine Kalandrierung über den optimalen Wert hinaus führt zu einer Verringerung der Porosität und des durchschnittlichen Porendurchmessers, was zu irreversiblen Kapazitätsverlusten, hohen Taktzyklen und einer schlechten Langlebigkeit der Zyklusleistung führen kann.
Beim Feststoffanteil handelt es sich um einen Steuerungsparameter, der in der Walzenkompaktierung verwendet wird. Dieser Steuerungsparameter dient zur Bestimmung der optimalen Einstellung von Drehzahl, Verdichtung und Walzenspaltwinkel im Walzenkompaktierer.
Wenn der Feststoffanteil als wichtiges Qualitätsmerkmal verwendet wird, stellt dies eine gleichbleibende Produktmenge bei jeder Fertigungseinheit sicher, sowie dass das Endprodukt die gewünschte elektrochemische Leistung aufweist.
Feststoffanteil, Hüll- und Reindichte
SF= Feststoffanteil (Solid Fraction) (relative Dichte)
Leistungsabfall:
Während der Lebensdauer einer Zelle tragen physikalische und elektrochemische Vorgänge zum Leistungsabfall bei. Dieser Leistungsabfall wird vor allem durch Kapazitätseinbußen während des Lade- und Entladezyklus oder durch eine reduzierte Haltbarkeit deutlich.
Ausdehnung und Kontraktion können zu Grenzflächenspannungen führen, die sich negativ auf die Elektrodenleistung auswirken, sodass es zu einer Schichtablösung kommen kann, was eine Verringerung des Kontaktes zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromabnehmer zur Folge hat. Durch dieses mechanische Versagen können sich Porengrößenveränderungen ergeben, die zu einer Reduzierung des Elektrolytkontaktes und einem schlechten Zyklusverhalten führen.