Unabhängig davon, ob Sie mit Lithium-Ionen-Akkus, Alkalibatterien, Bleiakkumulatoren, Brennstoffzellen, metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) oder anderen Energiespeichern arbeiten, gibt es kritische Komponenteneigenschaften, die für Leistungs- und Sicherheitsüberlegungen zu charakterisieren sind
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Die Particle Testing Authority unterstützt Sie mit Instrumenten und Fachwissen bei der Analyse von Elektroden, Elektrolyten, Separatoren/Bindern und sogar der Qualität des Zusammenspiels und der Leistung der verschiedenen Komponenten nach der Herstellung.

Elektrodenanalyse

Die Entwicklung von Kathoden- und Anodenmaterialien basiert auf einer Verbesserung der Leistungs- und Energiedichte sowie der thermischen/chemischen Stabilität, was die Lebensdauer von Batterien/Akkumulatoren und Ladezyklen verlängert.

 

Die theoretische Kapazität eines Akkumulators hängt von den verwendeten Materialien ab. Bei der Elektrodenverarbeitung hat die Kenntnis der Partikelmorphologie einschließlich Partikelgröße, Form, Pulverdichte, Porosität und Oberflächenbereich einen entscheidenden Einfluss auf die Herstellbarkeit und die gewünschten Leistungsmerkmale der Elektrode.

Oberflächenbereich

Eine Vergrößerung der Elektrodenoberfläche verbessert den Wirkungsgrad der elektrochemischen Reaktion und erleichtert insbesondere in der Anode den Ionenaustausch zwischen Elektrode und Elektrolyt, da ein größerer Oberflächenbereich kurze Diffusionswege für die Lithiumionen zwischen Graphitpartikeln ermöglicht. Materialien mit geringerem Oberflächenbereich eignen sich besser zum Optimieren der Zyklenleistung der Zelle, denn sie verlängern die Lebensdauer von Batterien/Akkumulatoren.

Der größere Oberflächenbereich bringt einige Einschränkungen mit sich, die auf die abbauende Wechselwirkung des Elektrolyten an der Oberfläche und den daraus resultierenden Kapazitätsverlust sowie die Wärmestabilität zurückzuführen sind. Nanopartikel sind für eine Oberflächenvergrößerung ohne Kapazitätsverlust vielversprechend. Sie ermöglichen schnelle Aufladung, effizientere Entladungsraten und verbesserte Akkukapazitäten.

Größe, Form, Verteilung und Tortuosität von Poren

Größe, Form und Tortuosität von Elektrodenporen haben einen erheblichen Einfluss auf die Transportraten von Lithiumionen durch den in dieser porösen Struktur enthaltenen Elektrolyten. Die aus dem Herstellungsprozess resultierende Elektrodenmikrostruktur hat einen direkten Einfluss auf Energiedichte, Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Lithiumionenzelle.

Ein besseres Verständnis der Verbundfähigkeit benachbarter Poren, geschlossener Poren und Kanäle, die beim Fertigungsprozess entstehen können, trägt zur optimalen Interaktion zwischen Elektrolyt und Elektrode bei. Mittels der Tortuosität einer porösen Elektrode und der Grenzfläche zum Elektrolyt lässt sich feststellen, ob Leistungseinschränkungen einer Zelle auf ihre Mikrostruktur zurückzuführen sind.

Porositätsmessungen

Die Porositätsstruktur von Elektroden hat einen direkten Einfluss auf den Partikel-zu-Partikel-Kontakt zwischen Wirksubstanz und elektrisch leitendem Verdünnungsmittel. Durch die Porositätskontrolle lässt sich eine höhere elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Elektrode erreichen, was einen angemessenen Elektronenaustausch sowie einen ausreichenden Hohlraum für Elektrolytzugang/Transport von (beispielsweise) Lithiumionen zur Kathodeninterkalation gewährleistet. Eine Blockierung/Verstopfung von Poren während der Interkalation kann zu Kapazitätsabfall führen.

Dichte

Die Dichte der Graphitanode wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, bei anspruchsvollen Lade- und Entladevorgängen dem Abbau standzuhalten. Eine höhere Partikeldichte der Anodenelektrode verringert die Porosität und führt zu einem geringeren aktiven Oberflächenbereich der Elektrode. Dies reduziert die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt.

Rein- und Hülldichte können bei der Bestimmung der elektrochemischen Leistung helfen, die auf die für die Interkalation verfügbare Porosität der Elektroden zurückzuführen ist. Zwischen der irreversiblen Kapazität und dem internen Porenvolumen wurde eine eindeutige Korrelation festgestellt.

Die Stampfdichte ist ein wichtiger Indikator für die volumetrische Energiedichte. Eine niedrige Stampfdichte schlägt sich in einer niedrigen volumetrischen Energiedichte nieder, während der umgekehrte Fall eine hohe volumetrische Dichte bedeutet. Eine höhere Stampfdichte ermöglicht die Herstellung dichterer Elektrodenfilme (mehr Wirksubstanz pro Volumeneinheit) zur Elektrodenbeschichtung.

Größe/Form von Partikeln

Die Partikelgröße beeinflusst Kapazität, Zyklus und Coulomb-Wirkungsgrad. Die Partikelgröße wirkt sich auf das Ausmaß der Festkörperdiffusion der an der Elektrode interkalierten Lithiumionen aus. Kleinere Partikel, insbesondere Nanopartikel, führen beim Durchlauf zu geringeren Volumenveränderungen. Dies trägt zu einer geringeren mechanischen Belastung, einer höheren Härte und einer größeren Bruchfestigkeit bei.

Untersuchungen ergaben, dass eine breite Partikelgrößenverteilung die Energiedichte stärker erhöhen kann als eine Monodispersionsverteilung. Durch Kontrolle und Anpassung der Partikelgrößenverteilung lassen sich individuelle Anpassungen durchführen, mit denen eine hohe Leistung (monodispers) oder Energiedichte (polydispers) erzielt werden kann.

Die Form der Partikel wirkt sich auf Eigenschaften wie die Packungsdichte aus, da kugelförmige Partikel besser verdichtet werden können als faser- oder schuppenförmige.

Bewertung von Separatoren/Bindemitteln/Membranen

Der Separator bzw. die Membran ermöglicht das Fließen von Ionen von einer Elektrode zur anderen, während sie den Elektronenfluss verhindert – er/sie trennt im Wesentlichen die Anode von der Kathode.

Typische Separatoren besteht aus Polyolefinen – in der Regel Polypropylen und/oder anderen Polymeren, Keramik und Keramik/Polymer-Gemischen. Separatoren sind hochgradig porös, d. h. deren Porosität liegt typischerweise bei >40 % , sie sind ca. 25 μm dick und besitzen einen geringen Ionenwiderstand. Schicht- oder Verbundseparatoren dienen als Schutzvorrichtungen, damit eine Zelle nicht heißläuft.

Bindemittel halten die Partikel des aktiven Elektrodenmaterials zusammen und in Kontakt mit den Stromabnehmern (d. h. der Aluminiumfolie der Kathode oder der Kupferfolie der Anode).

Zeta-Potential

Zum besseren Verständnis der Transportmechanismen der Separatormembran dient das Zeta-Potential als Indikator für die Elektrolytaffinität von Membranen. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung der Akkumulatorleistung und damit der Lebensdauer.

Die Lebensdauer verlängert sich, wenn der Separator einen niedrigen elektrolytischen Widerstand, aber eine hohe Wasserdurchlässigkeit aufweist. Das Zeta-Potential liefert auch notwendige Informationen über die Affinität von Membranen zu Elektrolytzusätzen.

Porositätsmessungen

Die Angabe der prozentualen Porosität ist ein wichtiger Parameter bei Abnahmekriterien für Separatoren. Separatoren müssen ausreichend Porendichte zum Aufnehmen des flüssigen Elektrolyten besitzen, der die Ionenbewegung zwischen Anode und Kathode unterstützt. Eine höhere Porosität bedeutet weniger Wärmeentwicklung in der Zelle und eine höhere Energiedichte.

Eine gleichmäßige Porosität spielt bei der Vermeidung von Schwankungen im Ionenfluss eine wichtige Rolle. Je mehr der Ionenfluss innerhalb des Separators schwankt, desto größer sind die Auswirkungen an der Elektrodenoberfläche und desto schneller fällt sie aus, so dass die Lebensdauer des Akkus leidet. Übermäßig hohe Porosität behindert die Fähigkeit der Poren, sich zu schließen, was entscheidend ist, damit der Separator eine überhitzte Batterie abschalten kann.

Größe, Form, Verteilung und Tortuosität von Poren

Die Porengröße des Separators muss kleiner sein als die Partikelgröße der Elektrodenbestandteile, d. h. der Wirksubstanzen der Elektrode und etwaiger elektrisch leitender Zusätze. Die meisten Separatormembranen besitzen Poren mit Größen unter einem Mikrometer, die das Eindringen von Partikeln verhindern.

Eine gleichmäßige Verteilung und eine gute Tortuosität der Poren sind ebenfalls Voraussetzung. Die gleichmäßige Verteilung verhindert eine ungleichmäßige Stromverteilung im Separator, und die Tortuosität unterdrückt die Ausbreitung von Lithiumdendriten.

Elektrolytanalyse

Flüssige Elektrolyte spielen in handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus eine Schlüsselrolle bei der Herstellung der elektrischen Leitung von Lithiumionen zwischen Kathode und Anode. Der am häufigsten verwendete Elektrolyt besteht aus einem Lithiumsalz wie z. B. LiPF6 in einer organischen Lösung.

Ein hoher Reinheitsgrad ist erforderlich, damit eine Oxidation an der Elektrode verhindert wird und eine optimale Lebensdauer gewährleistet ist. Neben Lithiumsalz enthält die endgültige Elektrolytlösung auch verschiedene Zusätze. Diese Zusätze werden der LiPF6-Lösung beigemischt, um die Bildung von Lithiumdendriten und eine Zersetzung der Lösung zu verhindern.

Zeta-Potential

Es gibt elektrokinetische Phänomene, die durch Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Separator und Elektrolyt verursacht werden. Die Diffusion der elektrisch geladenen Elektrolytlösung durch die Poren des Separators muss unter dem Einfluss des Zeta-Potentials an der Grenzfläche erfolgen.

Dieses kann den Durchgang des Elektrolyten durch den Separator behindern oder fördern. Sein Wert ist ein Hinweis auf die potenzielle Stabilität eines Systems: je größer das Zeta-Potential (positiv oder negativ), desto stabiler ist die Lösung.

Fertigung und Fehleranalyse

Materialcharakterisierung vor und während der Herstellung ist ein entscheidender Kontrollparameter zum Gewährleisten der optimalen Funktion der Zellkomponenten und der fertig montierten Batterie.

Von den Rohstoffen über die Herstellung der Komponenten bis hin zur fertigen Batterie selbst spielt die Materialcharakterisierung beim Bestimmen der gewünschten elektrochemischen Leistung, der Sicherheit, der Zellenlebensdauer und anderer wichtiger Parameter eine entscheidende Rolle.

Partikelgröße/Partikelform – Rohstoffe

Größe und Form der Partikel beeinflussen die Packungsdichte, die sich wiederum auf die Elektrodendicke und damit die Energiedichte auswirkt.

Untersuchungen ergaben, dass die Partikelgrößenverteilung des Graphits sowie die Partikelausrichtung in der beschichteten Folie die elektrochemische Leistung von Graphitanoden beeinflusst. Darüber hinaus spielt die Reinheit eine wichtige Rolle, und alle bei der Elektrodenherstellung verwendeten Pulver und Zusätze müssen einen niedrigen Gehalt an metallischen Verunreinigungen aufweisen.

Leistungsminderung

Im Laufe der Lebensdauer einer Zelle führen physikalische und elektrochemische Vorgänge zu einer Leistungsverminderung. Sie macht sich vor allem durch eine Kapazitätsverminderung bei Lade- und Entladezyklen oder durch eine verringerte Lagerfähigkeit bemerkbar.

Ausdehnung und Schrumpfung können zu Grenzflächenspannungen führen, die die Elektrodenleistung beeinträchtigen, sodass Ablösung auftreten kann, die den Kontakt zwischen Elektrodenmaterial und Stromabnehmer behindert. Durch dieses mechanische Versagen kann es zu Veränderungen der Porengröße kommen und infolge zu geringerem Elektrolytkontakt und mangelhafter Lebensdauer.

Temperaturprogrammierte Verfahren wie DDK und TGA lassen sich zum Untersuchen möglicher Bedingungen für eine Überhitzung einsetzen.

Kalandrieren/Bestimmung des Feststoffanteils

Das Kalandrieren ist der wichtigste Schritt bei der Herstellung von Hochleistungselektroden. Porosität und Dicke des Elektrodenfilms nehmen mit zunehmender Kalandrierung ab. Sie ändert erwartungsgemäß auch die Porenstruktur von Elektroden und damit das Benetzungsverhalten der Folie durch den Elektrolyten.

Eine über das optimale Maß hinausgehende Kalandrierung führt zu einer Verringerung der Porosität und des durchschnittlichen Porendurchmessers und infolge zu irreversiblem Kapazitätsverlust, hoher Zyklusrate und mangelhafter Lebensdauer. Der Feststoffanteil ist ein Kontrollparameter für Walzenpressen. Er hilft beim Bestimmen der optimalen Einstellungen für Geschwindigkeit, Verdichtung und Anpresswinkel in einer Walzenpresse. Die Nutzung des Feststoffanteils als kritisches Qualitätsmerkmal gewährleistet, dass das Produkt von Charge zu Charge gleich bleibt und das Endprodukt die geplante und gewünschte elektrochemische Leistung aufweist.

PTA kann den Pulverfluss des Rohstoffs charakterisieren, damit ein reibungsloser Prozess gewährleistet ist und sich die Eigenschaften der fertigen Elektrodenschicht charakterisieren lassen.