Energiespeicher

In allen aktiven Materialien, ob Lithium-Ionen-Batterien, Alkalibatterien, Blei-Säure-Batterien, Brennstoffzellen, MOFs oder anderen Energiespeichern, gibt es kritische Komponenteneigenschaften, die aus Leistungs- und Sicherheitsgründen charakterisiert werden müssen.

 

Die Particle Testing Authority verfügt über die Instrumente und die Erfahrung, um Sie bei der Analyse von Elektroden, Elektrolyten, Separatoren/Bindemitteln und sogar bei der Interaktion und Leistung der verschiedenen Komponenten nach der Herstellung zu unterstützen

Elektrodenanalytik

Die Entwicklung von Kathoden- und Anodenmaterialien basiert auf einer Verbesserung der Leistungs- und Energiedichte sowie der thermischen/chemischen Stabilität zur Verbesserung der Batterielebensdauer und des Ladezyklus.

 

Die theoretische Kapazität einer Batterie wird durch die verwendeten Materialien bestimmt. Bei der Elektrodenverarbeitung hat die Partikelmorphologie, einschließlich Partikelgröße, -form, -pulverdichte, -porosität und -oberfläche, einen entscheidenden Einfluss auf die Herstellbarkeit und die gewünschten Leistungseigenschaften der Elektrode.

Oberfläche

Eine Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode führt zu einer Verbesserung der Effizienz der elektrochemischen Reaktion und erleichtert den Ionenaustausch zwischen Elektrode und Elektrolyt. Dies gilt insbesondere innerhalb der Anode, da eine größere Oberfläche kurze Diffusionswege zu den Lithiumionen in das Graphit ermöglicht. Materialien mit geringerer Oberfläche sind besser für eine verbesserte Zyklenleistung der Zelle geeignet, was zu einer längeren Batterielebensdauer führt.

 

Die größere Oberfläche weist aufgrund der Wechselwirkung des Elektrolyten mit der Oberfläche und des daraus resultierenden Kapazitätsverlusts zusammen mit der thermischen Stabilität einige Einschränkungen auf. Nanopartikel sind vielversprechend, um die Oberfläche ohne Kapazitätsverlust zu vergrößern. Dies erleichtert ein schnelles Laden, effiziente Entladeraten und verbessert die Kapazität des Akkus.

Porengröße, Form, Verteilung und Tortuosität

Die Größe, Form und Unebenheit der Elektrodenporen beeinflussen die Lithiumionentransportraten durch den Elektrolyten erheblich, der in dieser porösen Struktur zurückgehalten wird. Die aus dem Herstellungsprozess resultierende Elektrodenmikrostruktur hat einen direkten Einfluss auf Energiedichte, Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Lithium-Ionen-Zelle.

 

Ein besseres Verständnis der Interkonnektivität benachbarter Poren, der geschlossenen Poren und der Kanäle, die während des Herstellungsprozesses entstehen können, trägt zur Sicherstellung einer optimalen Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Elektrode bei. Durch die Kenntnis der Tortuosität einer porösen Elektrode und einer Elektrolytgrenzfläche kann festgestellt werden, ob die Leistungsbeschränkungen der Zelle auf ihre Mikrostruktur zurückzuführen sind.

Porositätsmessungen

Die Elektrodenstruktur und -porosität hat einen direkten Einfluss auf den Teilchen-zu-Teilchen-Kontakt zwischen dem aktiven Material und dem leitenden Verdünnungsmittel. Durch die Kontrolle der Porosität kann eine höhere Leitfähigkeit innerhalb der Elektrode erreicht werden, um einen ausreichenden Elektronenaustausch sowie einen ausreichenden Hohlraum für den Elektrolytzugang/-transport von Lithiumionen beispielsweise zur Einlagerung der Kathode sicherzustellen. Das Blockieren/Verstopfen der Porosität während der Einlagerung kann zu einem Kapazitätsverlust führen.

Dichte

Die Dichte der Graphitanode wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, einer Verschlechterung bei herausfordernden Lade- und Entladevorgängen standzuhalten. Eine höhere Anodenelektrodenteilchendichte verringert die Porosität, was zu einer geringeren aktiven Oberfläche der Elektrode führt. Dies verringert wiederum die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt.

 

Die Reindichte und die umgebende Dichte können dabei helfen, die elektrochemische Leistung zu bestimmen, die der Porosität zugeschrieben wird, welche für die Interkalation genutzt werden kann. Es wurde eine eindeutige Korrelation zwischen der irreversiblen Kapazität und dem internen Porenvolumen festgestellt.

 

Die Klopfdichte ist ein wichtiger Indikator für die volumetrische Energiedichte. Eine niedrige Klopfdichte lässt sich in eine niedrige volumetrische Energiedichte übersetzen, wobei die Umkehrung eine hohe volumetrische Dichte anzeigt. Eine höhere Klopfdichte ermöglicht es, dichtere Elektrodenfilme (mehr aktives Material pro Volumeneinheit) zum Beschichten der Elektrode herzustellen.

Partikelgröße / Form

Die Partikelgröße beeinflusst die Kapazität, den Zyklus und die Coulomb-Effizienz. Auch die Anzahl an im Festkörper diffundierenden Lithiumionen, die an der Elektrode interkalieren, werden von der Partikelgröße beeinflusst. Kleinere Partikel, insbesondere Nanopartikel, führen beim Zyklus zu kleineren Volumenänderungen. Dies trägt zu einer geringeren mechanischen Beanspruchung, einer erhöhten Härte und einer größeren Bruchfestigkeit bei.

 

Es wurde bereits festgestellt, dass eine breite Partikelgrößenverteilung die Energiedichte im Vergleich zu einer monodispersen Verteilung erhöhen kann. Das Steuern und Anpassen der Partikelgrößenverteilung kann im Idealfall zu einer hohen Leistung (monodispers) oder Energiedichte (polydispers) führen.

 

Die Partikelform beeinflusst Eigenschaften wie die Packungsdichte, da sich kugelförmige Partikel dichter als faserige oder plättchenförmige Partikel packen lassen.

Separator/Binder/Membran Auswertungen

Der Separator oder die Membran ermöglichen einen Ionenfluss von einer Elektrode zur anderen, während jeglicher Elektronenfluss verhindert wird – im Wesentlichen bedeutet dies eine Trennung von Anode und Kathode.

 

Der typische Separator besteht aus Polyolefinen – üblicherweise Polypropylen und/oder Polyethylen – zusammen mit anderen Polymeren, Keramiken und Keramik/Polymer-Gemischen. Separatoren sind hochporös, typischerweise liegt die Porosität oberhalb von 40%, etwa 25 µm dick und weisen einen niedrigen Ionenwiderstand auf. Schicht- oder Verbundabscheider werden als Sicherheitsvorrichtungen verwendet, um ein thermisches Durchgehen der Zelle zu verhindern.

 

Bindemittelmaterialien werden verwendet, um die aktiven Elektrodenmaterialteilchen zusammenzuhalten und mit den Stromkollektoren in Kontakt zu halten. Diese sind die Aluminiumfolie der Kathode oder die Kupferfolie der Anode.

Zeta-Potential

Um die Transportmechanismen der Separatormembran besser zu verstehen, kann das Zeta-Potential die Elektrolytaffinität der Membranen anzeigen. Dies kann eine Feinabstimmung der Batterieleistung ermöglichen, um die Zykluslebensdauer zu erhöhen.

 

Die Lebensdauer verlängert sich, wenn der Separator einen geringen elektrolytischen Widerstand, aber eine hohe Wasserdurchlässigkeit aufweist. Das Zeta-Potential kann auch die erforderlichen Informationen über die Affinität der Membranen zu Elektrolytadditiven liefern.

Porositätsmessungen

Die Angabe der prozentualen Porosität ist ein wichtiger Parameter bei den Kriterien für den Separator. Der Separator muss eine ausreichende Porendichte aufweisen, um den flüssigen Elektrolyten aufzunehmen, der die Ionenbewegung zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Höhere Porosität bedeutet weniger Wärmeentwicklung in der Zelle und höhere Energiedichte.

 

Eine gleichmäßige Porosität ist wichtig, um Schwankungen des Ionenflusses zu vermeiden. Je stärker der Ionenfluss innerhalb des Separators variiert, desto stärker ist der Effekt an der Oberfläche der Elektrode und desto schneller verringern sich die Effizienz und die Zykluslebensdauer. Übermäßige Porosität behindert die Fähigkeit der Poren, sich zu schließen. Dies ist wichtig, damit der Separator eine überhitzte Batterie abschalten kann.

Porengröße, Form, Verteilung und Tortuosität

Die Porengröße des Separators muss kleiner sein als die Teilchengröße der Elektrodenkomponenten, genauer der aktiven Elektrodenmaterialien und etwaiger leitender Additive. Die meisten Separatormembranen enthalten Porengrößen im Submikronbereich, die das Eindringen von Partikeln blockieren.

 

Eine gleichmäßige Verteilung und eine gewundene Struktur der Poren sind ebenfalls eine Voraussetzung. Eine gleichmäßige Verteilung verhindert eine ungleichmäßige Stromverteilung im gesamten Separator und eine Tortuosität unterdrückt das Wachstum von dendritischem Lithium.

Elektrolytanalytik

Flüssige Elektrolyte spielen eine Schlüsselrolle in kommerziellen Lithiumionenbatterien, um die Lithiumionen zwischen Kathode und Anode zu transportieren. Die am häufigsten verwendeten Elektrolyten bestehen aus Lithiumsalz wie LiPF6 in einem organischen Lösungsmittel.

 

Eine hohe Reinheit ist erforderlich, um eine Oxidation an der Elektrode zu verhindern und eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten. Neben dem Lithiumsalz sind in der endgültigen Elektrolytlösung auch verschiedene Additive enthalten. Diese Additive werden mit der LiPF6-Lösung gemischt, um die Bildung von Lithium-Dendriten und den Abbau der Lösung zu verhindern.

Zeta-Potential

Es gibt elektrokinetische Phänomene, die durch Ladungstrennung an der Trennschicht zwischen Separator und Elektrolyt verursacht werden. Die Diffusion der geladenen Elektrolytlösung durch die Poren des Separators wird durch das Zeta-Potential an der Grenzfläche beeinflusst.

 

Das Zeta-Potential an dieser Grenzfläche kann den Durchgang des Elektrolyten durch den Separator behindern oder unterstützen. Der Zeta-Potentialwert gibt einen Hinweis auf die potenzielle Stabilität eines Systems: Je größer der Wert (positiv oder negativ), desto höher ist die Stabilität der Lösung.

Herstellungs- und Fehleranalyse

Die Materialcharakterisierung vor und während der Herstellung ist ein kritischer Kontrollparameter, um den optimalen Betrieb der Zellkomponenten und der endgültig zusammengebauten Batterie sicherzustellen.

 

Von den Rohstoffen über die Herstellung der Komponenten bis hin zur zusammengebauten Batterie spielt die Materialcharakterisierung eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der gewünschten elektrochemischen Leistung, Sicherheit, Zellzyklenanzahl und anderer wichtiger Parameter.

Partikelgröße/-form - Rohstoffe

Die Partikelgröße und -form beeinflussen die Packungsdichte, die sich wiederum auf die Elektrodendicke und damit auf die Energiedichte auswirkt.

 

Es wurde gezeigt, dass die Partikelgrößenverteilung von Graphit sowie die Partikelorientierung in der beschichteten Folie die elektrochemische Leistung von Graphitanoden stark beeinflussen. Die Reinheit ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Bei allen Pulvern und Additiven, die bei der Elektrodenherstellung verwendet werden, muss ein sehr geringer Anteil an metallischen Verunreinigungen eingehalten werden.

Leistungsminderung

Während der Lebensdauer einer Zelle tragen physikalische und elektrochemische Ereignisse zur Leistungsminderung bei. Dieser Leistungsabfall zeigt sich vor allem durch einen Kapazitätsverlust während des Lade- und Entladezyklus oder durch eine verringerte Lagerfähigkeit.

 

Expansion und Kontraktion können Grenzflächenspannungen verursachen, die die Elektrodenleistung nachteilig beeinflussen. Es kann auch zu einer Delamination kommen, die eine Verringerung des Kontakts zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromkollektor verursacht. Änderungen der Porengröße können aufgrund dieser mechanischen Beanspruchungen auftreten, was zu einer Verringerung des Elektrolytkontakts und zu einem schlechten Zyklenverhalten führt.

 

Mit temperaturprogrammierten Methoden wie DSC und TGA können die Vorgänge und Bedingungen bei einer Überhitzung untersucht werden.

Kalandrieren/Festkörperfraktionsbestimmung

Das Kalandrieren ist entscheidend bei der Herstellung von Hochleistungselektroden. Die Porosität und Dicke des Elektrodenfilms nimmt mit zunehmendem Kalandrieren ab. Durch das Kalandrieren kann sich auch die Porenstruktur der Elektrode verändern, was sich auf das Benetzungsverhalten des Films durch den Elektrolyten auswirken würde.

 

Ein Kalandrieren über das optimale Maß hinaus führt zu einer Verringerung der Porosität und des durchschnittlichen Porendurchmessers, was zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust, einer hohen Zyklenrate und einer schlechten Langlebigkeit der Zyklenleistung führen kann. Der Feststoffanteil ist ein Steuerungsparameter, der bei Walzenverdichtungsvorgängen verwendet wird. Dieser Steuerungsparameter hilft bei der Bestimmung der optimalen Einstellung für Geschwindigkeit, Kompression und Spaltwinkel im Walzenverdichter. Die Verwendung der Feststofffraktion als kritisches Qualitätsmerkmal gewährleistet eine gleichbleibende Produktchargenqualität im Endprodukt mit der geplanten und gewünschten elektrochemischen Leistung.

 

Die Particle Testing Authority kann den Pulverfluss des Ausgangsmaterials charakterisieren, um einen reibungslosen Prozess zu gewährleisten und die Eigenschaften des fertigen Elektrodenfilms zu charakterisieren.