Fortschrittliche Energiespeichertechnologien

Lithium-Ionen-Batterietechnologie:

Bei der Lithium-Ionen-Batterie handelt es sich um eine Energiespeichervorrichtung, die fast ununterbrochen geladen und entladen werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien deutlich leistungsfähiger und effizienter hinsichtlich der Anwendung. Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien lässt sich in die Bereiche Unterhaltungselektronik-, Automobilindustrie-, Energiespeichernetz- und Industrieanwendungen unterteilen.

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 Entwicklung von Kathoden- und Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien basiert auf Verbesserungen der Leistungs- und Energiedichte sowie der thermischen/chemischen Stabilität zur Verbesserung der Lebensdauer und Ladezyklen der Batterie.

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:

Die poröse Struktur der Elektroden hat einen direkten Einfluss auf den Kontakt von Partikel zu Partikel zwischen dem aktiven Material und dem leitfähigen Verdünnungsmittel. Die Porosität ist ausschlaggebend, damit der Elektrolyt Lithium-Ionen zum aktiven Material der Elektrode und von ihm weg transportieren kann.

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:

Der Separator ermöglicht den Ionenstrom von einer Elektrode zur anderen und vermeidet gleichzeitig den Elektronenstrom, wodurch die Anode von der Kathode getrennt wird.

Ein üblicher Separator besteht aus Polyolefinen, in der Regel Polypropylen und bzw. oder Polyethylen, sowie anderen Polymeren, Keramik und Keramik/Polymer-Mischungen.

Separatoren sind hochgradig porös. Sie weisen üblicherweise eine Porosität von >40 % auf, sind ca. 25 μm dick und weisen einen niedrigen ionischen Widerstand auf. Als Sicherheitsvorrichtungen werden geschichtete oder zusammengesetzte Separatoren eingesetzt, um das thermische Durchgehen der Zelle zu verhindern.

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:

Die Angabe der prozentualen Porosität ist ein wichtiger Parameter in den Abnahmekriterien für den Separator. Der Separator muss über eine ausreichende Porendichte verfügen, um den Flüssigelektrolyten zu beherbergen, der die ionische Bewegung zwischen der Anode und Kathode unterstützt. Eine höhere Porosität bedeutet eine geringere Wärmeerzeugung in der Zelle und größere Energiedichte.
Eine gleichmäßige Porosität ist unerlässlich, um Schwankungen im Ionenstrom zu vermeiden. Je stärker der Ionenstrom innerhalb des Separators schwankt, umso größer ist die Auswirkung auf die Elektrodenfläche und desto schneller fällt diese aus, was zu einer deutlich reduzierten Lebensdauer führt. Bei einer zu hohen Porosität können sich die Poren nicht schließen, was wesentlich ist, damit der Separator eine überhitzte Batterie abschalten kann.
TriStar II Plus
Surface Area and Porosity Instrument
AccuPyc II 1340
Gas Displacement Pycnometer System
AutoPore V
Mercury Intrusion Porosimetry System

Porengröße, Form, Verteilung und Tortuosität:

AutoPore V
Mercury Intrusion Porosimetry System
Die Porengröße des Separators muss kleiner als die Partikelgröße der Elektrodenkomponenten sein, d. h. der aktiven Elektrodenmaterialien und aller leitenden Zusatzstoffe. Die meisten Separatormembranen enthalten submikrongroße Poren, die das Eindringen von Partikeln verhindern.

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:

Bei handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien spielt der Flüssigelektrolyt eine ausschlaggebende Rolle bei der Leitfähigkeit der Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode. Der gebräuchlichste Elektrolyt besteht aus Lithiumsalz, z. B. LiPF6 in einer organischen Lösung.

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:

Es gibt elektrokinetische Phänomene, die durch Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Separator und Elektrolyt verursacht werden. Die Diffusion von geladener Elektrolytlösung durch die Poren des Separators muss dem Einfluss des Zetapotenzials an der Grenzfläche ausgesetzt werden.
Das Zetapotenzial an dieser Grenzfläche kann den Elektrolytfluss über den Separator behindern oder unterstützen. Der Zetawert weist auf die potenzielle Stabilität eines Systems hin: je größer der Wert (positiv oder negativ), desto stabiler ist die Lösung.
NanoPlus HD Zeta Measurement Cell

Fertigungs- und Fehleranalyse:

Die Beschreibung von Werkstoffen während und vor der Fertigung ist ein wichtiger Steuerungsparameter für den optimalen Betrieb von Zellkomponenten und der fertig montierten Batterie.

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:

Die Partikelgröße und -form beeinflussen die Packungsdichte, die wiederum die Elektrodenstärke und somit Energiedichte beeinflussen.
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.
Particle Insight
Dynamic Image Analyzer/ Particle Shape Analyzer

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.