Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Im Kontext einer industriellen Zellfertigung stellen die Abläufe der Befüllung und Formierung von Li-Ionen-Batteriezellen zwei sehr zeitaufwendige und kostenintensive Prozessschritte dar. Abhängig vom jeweiligen Elektrodendesign, Zellformat, Separator und Elektrolytadditiven ergeben sich sehr unterschiedliche Benetzungs- und Formierungszeiten für die Zelle. Diese zellspezifischen Eigenschaften und Prozesse sind in der Regel wissenschaftlich kaum untersucht. Allerdings ist die Kenntnis dieser zellinternen Vorgänge essentiell für die Optimierung des Fertigungsprozesses in Bezug auf Kosten und Zellqualität.
In der Arbeitsgruppe »Zellentwicklung und Test« sind Analysemethoden zur Charakterisierung dieses Befüllverhaltens etabliert, die zuvor mit Partnern für industrielle Zellformate und Materialien validiert wurden. Diese erlauben auch ein Monitoring des Benetzungsvorganges, um das Durchdringungsverhalten von Separatoren, Elektroden sowie Verbünden aus Separatoren und Elektroden mit Elektrolyten systematisch und quantitativ zu beschreiben. Beispielsweise hat die Untersuchung verschiedener Separatoren in Pouchzellen gezeigt, dass keramische Materialien im Vergleich mit Polyolefinen eine kürzere Benetzungszeit aufweisen und große Zellflächen schneller wetten (siehe Diagramm).
Der Prozess der Formierung wird in unterschiedlichen Förderprojekten untersucht. In Verbindung mit der eigenen Elektrodenherstellung im Pilotmaßstab werden die Auswirkungen der Elektrodeneigenschaften und Prozessparameter der Formierung auf die Langzeitalterung einer Lithium-Ionen-Zelle identifiziert. Dabei hat sich in Zyklentests von Laborzellen gezeigt, dass die Interkalations- und SEI-Bildungssprozesse deutlich schneller ablaufen dürfen, ohne die Qualität der Zelle nachhaltig zu beeinträchtigen.
Leistungsangebot
- Analyse und Optimierung der Elektrolytbefüllung im Elektroden-Separator-Verbund
- Bewertung von Formierungsabläufen mittels DC-Messmethoden und elektrochemischer Impedanzspektroskopie im 3-Elektroden-Aufbau
- Komplementäre Materialuntersuchungen (Hg-Porosimetrie, REM im FIB-Schnitt, BET-Oberfläche, Rauhigkeitsuntersuchungen etc.)