Die Charakterisierung des Elektrodenmaterials gealterter Lithium-Ionen (Li-Ionen) Zellen in Experimentalzellen ist eine weit verbreitete Methode, um Alterungsursachen von Li-Ionen Zellen zu detektieren. Bisher gibt es jedoch kein standardisiertes Verfahren zur Extraktion und zum Aufbau des Elektrodenmaterials in Experimentalzellen. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Präparationsverfahren lassen sich Experimentalzellen vom Typ PAT-Cell (Knopfzellen) mit einer sehr hohen Reproduzierbarkeit aufbauen. Die Streuung der aufgebauten Knopfzellen liegt im Bereich der Streuung von industriell gefertigten Li-Ionen Zellen. Dadurch lässt sich das zyklische Alterungsverhalten des Originalsystems auf Knopfzellebene transformieren: Die dominierenden Alterungsmechanismen der Li-Ionen Zellen können im zyklischen Alterungsverhalten auf Experimentalzellebene qualitativ abgebildet werden. Mit dem beschriebenen Präparationsverfahren lassen sich Knopfzellen reproduzierbar aufbauen, was die daraus gewonnenen Messergebnisse zwischen einzelnen Laboren vergleichbarer macht. Die Alterung des Elektrodenmaterials in Knopfzellen bietet zudem die Chance, geometrieabhängige Alterungsmechanismen zu analysieren. Darüber hinaus bietet eine Alterungsuntersuchung des extrahierten Zellmaterials in Knopfzellen eine um Größenordnungen geringere Leistungsanforderung an das Messsystem.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Lithium-Ionen-Batterien liefern heutzutage die Energie für nahezu alle portablen Elektronikgeräte und sind aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte ein zukunftsfähiger Energiespeicher für Elektrofahrzeuge. Die immer höheren Energiedichten bei gleichzeitig größeren Lasten lassen den Sicherheitsaspekt an Bedeutung gewinnen. Dabei spielt der Separator eine zentrale Rolle. Er trennt beide Batterieelektroden räumlich voneinander und verhindert so deren Kurzschluss. Üblicherweise basieren heutige Separatoren auf mikroporösen Polymerfolien mit niedrigen Schmelzpunkten, welche im Falle einer Zellbeschädigung nicht zuverlässig vor einem thermischen Durchgehen der Batterie schützen können. Zudem sind diese Separatoren chemisch-passive Zellkomponenten, die keinen positiven Beitrag zu elektrochemischen Reaktionen liefern können.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung hochtemperaturstabiler, chemisch-aktiver Separatoren. Hauptbestandteil der Separatoren sind flächige mikrometergroße Glaspartikel, die entweder in Glasfaser-Basisvliese integriert werden, um selbsttragende Separatoren zu konzeptionieren, oder die direkt auf Batterieelektroden kalandriert werden. Damit wird eine Temperaturstabilität von 600 °C erreicht. Zudem verbessern diese Separatoren auch das Alterungsverhalten von Lithium-Ionen-Batterien. Grund hierfür ist eine Wechselwirkung des Separatorglases mit dem Batterieelektrolyten, die dadurch gekennzeichnet ist, dass im Elektrolyten vorhandene Fluorwasserstoffsäure das Glas oberflächlich anätzt. Dadurch gehen Ionen des Glases in Lösung und fungieren, sofern die Glaszusammensetzung richtig eingestellt ist, als Elektrolytadditive, die ihre Wirkung vor allem an den Batterieelektroden entfalten. In Folge dessen erhöht sich die Be- und Entladeeffizienz, die Be- und Entladedynamik wird verbessert und das Altern des elektrochemischen Systems wird gehemmt.
Aktualisiert: 2020-07-07
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Die Dissertation befasst sich innerhalb einer vergleichenden Analyse mit Produktionstechnologien von großformatigen Batteriezellen und insbesondere verschiedenen Verfahren zur Herstellung des Elektrode-Separator-Verbundes. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Anwendung von gekoppelten Methoden zur mechanisch-elektrochemischen Charakterisierung von Batteriematerialien und den Zwischenprodukten innerhalb der Produktionskette.
Aktualisiert: 2019-03-15
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