Prozess
Hauptkomponenten von LIB-Zellen
Ziel ist die Entwicklung von noch leistungsfähigeren Batterien, die sich durch größere Kapazität, längere Lebensdauer und kürzere Ladezeiten bei geringerem Gewicht und geringerer Größe auszeichnen.
Lithium-Ionen-Batterien bestehen im Wesentlichen aus einer negativen Elektrode (Anode), einer positiven Elektrode (Kathode) und einer Separator-Membran. Die Elektroden bestehen aus Ableiterfolien, die mit einer Slurry genannten Mischung aus Bindern, Aktivmaterialien und Additiven beschichtet sind. Eine eingehende Analyse der Eigenschaften der Batteriekomponenten ist erforderlich, um eine effizientere Speicherung und Abgabe der Energie zu erreichen.
Für ein passendes Batteriedesign müssen die thermischen Eigenschaften von Separator, Elektrolyt, Kathode und Anode analysiert werden. Möglich ist beispielsweise die Messung der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit von Elektroden mit gleicher Porengröße oder die Analyse des thermischen Verhaltens von Elektroden unter Einwirkung von hohem Druck. Auf diese Weise können Methoden für die Qualitätskontrolle von Batterien entwickelt werden.
Dies ist ein Schlüsselfaktor, der die Leistung einer Batterie bestimmt (Kapazität, durchschnittliche Spannung). Da auf diesen Teil 40 % der Produktionskosten entfallen, spielt er in der Batterieproduktion eine sehr große Rolle. Durch eine Erhöhung des Nickelgehalts im Kathodenmaterial kann die Batteriekapazität gesteigert werden.
Bestimmung der Kapazität: Erforderlich sind große Kapazität und geringer Preis
Mögliche Kathodenmaterialien:
- LCO (Lithium-Kobaltoxid, LiCoO2)
- NCA (Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid, LiNiCoAlO2)
- NCM (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, Li[NiCoMn]O2)
- LMO (Lithium-Mangan-Oxid, LiMn2O4)
- LFP (Lithium-Eisenphosphat, LiFePO4)
Diese speichern die Lithiumionen beim Laden der Batterie. Oft werden Kohlenstoffmaterialien wie Graphit für das Anodenmaterial eingesetzt.
Chemische Reaktion mit der Kathode: Erforderlich ist hohe Leistung
Mögliche Anodenmaterialien:
- Graphit (natürliches, synthetisches)
- Lithiumtitanat (LTO)
- Legierungselemente (Silizium, Zinn)
- Siliziumoxid (SiOx)
Um einen Kurzschluss im Batterieinneren zu verhindern, trennt ein Separator die Elektroden voneinander. Diese üblicherweise aus Kunststoff (z. B. PE, PP) bestehenden Separatoren sind perforiert, um den Ionendurchfluss zu ermöglichen.
Eine Schrumpfung oder ein Reißen des Separators kann einen Kurzschluss zur Folge haben, der wiederum zu einer Explosion der Batterie führt. Dem Separator kommt daher eine Schlüsselrolle für die LIB-Sicherheit zu.
Für mehr thermische Stabilität und um die Schrumpfung zu verhindern, werden zunehmend die Inorganic Composite Separators genannten Separatoren aus anorganischen Verbundmaterialien (keramikbeschichtete Folien) verwendet.
Verhindern von Kurzschlüssen: Erforderlich sind ein hoher Grad an Sicherheit und Zuverlässigkeit
Die meisten Aktivmaterialien sind Oxide mit begrenzter elektrischer Leitfähigkeit. Aus diesem Grund werden der Batteriepaste Additive hinzugefügt, um die Ladezeit der Batterie zu verringern. Hier kommen vor allem kohlenstoffbasierte Rohstoffe wie Ruß und Graphit zum Einsatz sowie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), die das größtmögliche Querschnittsverhältnis aufweisen sollten.
In den Vorstufen müssen die Materialien sorgfältig dispergiert oder delaminiert werden.
