Lithium-Ionen-Batterien

Gefügeaufnahme einer Bipolarelektrode LTO/LFP.

In-operando-Temperaturmessung

 

Die aktuellen Herausforderungen bezüglich der Wärmeentwicklung in Lithium-Ionen-Batterien erfordern ein umfassendes Verständnis der wärmegenerierenden Prozesse und Mechanismen auf mikroskopischer Ebene. Ein speziell entwickelter Messaufbau ermöglicht die ortsaufgelöste In-operando-Temperaturmessung über die Grenzflächen Anode/Separator/Kathode einer modellhaften Lithium-Ionen-Batterie-Zelle mit sehr hoher lateraler Auflösung. Durch die zusätzliche Detektion des axialen Temperaturverlaufs kann die dreidimensionale Temperaturverteilung bei definierten Ladeund Entladeströmen rekonstruiert werden.

Im Gegensatz zu gängigen integralen Messungen an kommerziellen Batteriesystemen lassen sich somit Wärmequellen und -senken des elektrochemischen Systems lokalisieren, identifizieren und differenzieren. Die Kombination aus lokaler In-operando-Temperaturmessung und fortgeschrittenen elektrochemischen Techniken erlaubt die Aufklärung komplexer Zusammenhänge zwischen Kinetik und Thermodynamik der individuellen Zellbestandteile und der resultierenden, lokalen Wärmeentwicklung. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden mechanistische Modelle entwickelt, welche in die Modellierung und Simulation des elektrochemisch-thermischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien einfließen und die Grundlage für eine zielgerichtete Werkstoffoptimierung hinsichtlich thermisch bedingter Sicherheitsaspekte bilden.

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High-Energy-Kathode

 

Die Erhöhung der Energiespeicherdichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist eines der zentralen Ziele aktueller Entwicklungen, um die Anforderungen vor allem automobiler Anwendungen zu erfüllen. Ein wesentlicher Ansatzpunkt dafür liegt in der Optimierung der Kathodenstruktur und deren Speicherinhalt, da diese den ‚Lithiumlieferanten‘ für die Zelle darstellt. Optimierte Zellen besitzen heute Kathoden mit einer spezifischen Flächenkapazität von etwa 4 mAh/cm². Erreicht wird dies durch die Verwendung von Aktivmaterialien hoher Speicherdichte in Kombination mit erhöhten Packungsdichten der Elektrode. Flächengewicht und Elektrodendichte stellen somit die technologischen Stellschrauben für speicherdichteoptimierte Elektrodendesigns dar. Allerdings ergeben sich Einschränkungen aus der Verarbeitbarkeit in den Folgeprozessen der Zellherstellung (mechanische Anforderungen, Dauer der Elektrolytbefüllung) und der Zellperformance im Betrieb (insbesondere limitierte Ratenfähigkeit durch limitierte Lithium-Ionendiffusion).

Das Fraunhofer IKTS bearbeitet im Labor- und Technikumsmaßstab extrusionsbasierte Abscheideverfahren, wobei sowohl klassische Extrusionsprozesse (Feststoffanteil 90 %) aus der keramischen Technologie als auch der Auftrag über Schlitzdüsen (Feststoffanteil 50 – 70 %) großes technologisches Potenzial besitzen.

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Biploarbatterie EMBATT

 

Mit der EMBATT-Batterie verfolgt das Fraunhofer IKTS gemeinsam mit Partnern einen neuen Ansatz, um auf Systemebene Energiedichten von über 450 Wh/l zu erzielen, und alltagstaugliche Reichweiten von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. Die EMBATT-Bipolarbatterie besteht aus Zellen, die in einer Stackbauweise derart gestapelt sind, dass der Ableiter der negativen Elektrode einer Zelle die Kontaktierung der positiven Elektrode der nächsten Zelle darstellt. Damit teilen sich zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen die Ableiter – eine Seite der Bipolarelektrode dient als Anode in einer Zelle und die andere Seite als Kathode in der nächsten Zelle.

Das bipolare Batteriekonzept umgeht durch seinen Stapelaufbau ein aufwändiges Zellpackaging. Vorteile der EMBATTBatterie sind der geringe Innenwiderstand im Stapel, die potenziell sehr großen Elektrodenflächen und die stark vereinfachte Verbindungstechnik im Batteriesystem. Das EMBATTKonzept überführt damit die hohe Energiedichte auf Zellebene direkt ins Batteriesystem.

Ein Konsortium entwickelt gemeinsam die großflächige Lithium-Bipolarbatterie, abgestimmte Fertigungstechnologien sowie Konzepte für die direkte Integration ins Chassis des Fahrzeugs. Das Fraunhofer IKTS arbeitet dabei am Design der Bipolarelektrode sowie an effizienten Herstellprozessen.

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Komponenten und Charakterisierung von keramischen Festkörperbatterien.

Festkörperbatterie

 

Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperionenleitern und Lithium-Metall-Anoden werden aufgrund ihrer höheren spezifischen Energie sowie ihres vorteilhaften Sicherheitsverhaltens als vielversprechende Speichertechnologien der nächsten Generation gehandelt.

Das Fraunhofer IKTS befasst sich seit vielen Jahren mit der Entwicklung Lithium-leitender Gläser und Festelektrolyte sowie deren Integration im Zellverbund. Ziel ist es, geeignete Prozesstechnologien für die Herstellung von vollkeramischen Festkörperbatterien (insbesondere Kompositkathode und Festelektrolytseparator) zu erarbeiten.

Kernthemen sind dabei die Realisierung eines defektfreien, stabilen Elektrolytseparators (Vermeidung von Dendritenwachstum an der Lithium-Metall-Anode), die Kompensation thermomechanischer Spannungen in der Kompositkathode und im Elektrolyten (Atmen des Aktivmaterials, Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten) sowie die Herstellung einer Kompositkathode mit geringer Restporosität bei gleichzeitiger Vermeidung von schädigenden Nebenreaktionen zwischen Aktivmaterial und Ionenleiter. Dafür sind neben der Entwicklung der Fertigungsverfahren geeignete Kombinationen von Aktivmaterial und Ionenleiter sowie die Optimierung von Korn-, Oberflächen- und Mikrostruktur zu untersuchen.

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