Mehr Verständnis für Batterien
Durch eine präzise Charakterisierung der Batteriezelle und ihrer Materialien kann eine zuverlässige Performance in den vielfältigen Anforderungsbereichen sichergestellt werden.
Durch das breite Spektrum an Anwendungen wie Elektromobilität, portable Elektronik oder Speicherung von erneuerbaren Energien sind auch die Anforderungen an die Batterien vielfältig. Aus dem Bereich der Elektromobilität kommt bspw. der dringende Wunsch nach Batterien mit höheren Energiedichten und Ladegeschwindigkeiten. Gleichzeitig so llen die Batterien lange Lebensdauer mit hohen Leistungsdichten kombinieren und auch unter starker Beanspruchung kein Sicherheitsrisiko darstellen. Die Kosten und das Recycling der Batterie sind weitere kritische Faktoren.
Die zahlreichen Anforderungen eröffnen vielfältige Forschungsfragen zur Verbesserung der verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien und motivieren die Weiterentwicklung alternativer Batteriesysteme wie die Festkörper-, Natrium-Schwefel-, Lithium-Schwefel-, Redox-Flow- oder Lithium-Luft-Batterie. Diese Batteriesysteme verfügen über individuelle Stärken und Schwächen wie etwa hohe spezifische Leistungs- und Energiedichten oder sehr schnelle Aufladung, benötigen allerdings z. B. hohe Überspannungen zum Laden oder leiden unter verringerter Sicherheit und beschränkter Zyklenfestigkeit. Diese vielfältigen Eigenschaften legen individuelle Einsatzgebiete nahe und eröffnen viele Möglichkeiten zur Optimierung.
Analysen sind essenziell, um die Qualität der Batterie in der Produktion zu sichern oder in der Forschung bestimmte Charakteristika gezielt zu verbessern. Welche Methoden werden herangezogen, um die produzierte Batteriezelle und die Materialien ihrer Bauteile detailliert zu charakterisieren?
Elektroden
Material und Struktur der Elektrode haben zentralen Einfluss auf die Performance der Batterie. Aktuelle Forschung beschäftigt sich u.a. mit der Untersuchung von alternativen Materialien und der Unterdrückung der Entstehung von Dendriten. So wurde z.B. gezeigt, dass durch Einlagerung von Nanopartikeln in die Poren der Anode die Entstehung von Dendriten unterdrückt und so die Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie erhöht werden kann.
Häufig liegen die Rohmaterialien zur Produktion von Batterien in Form von Pulvern vor, z.B. Lithium-Eisenphosphat (LFP) oder Lithium-Mangandioxid (LMO) als Kathoden- und Graphit oder Kohle als Anodenmaterial in der Lithium-Ionen-Batterie. Ein kritischer Parameter ist die Partikelgröße dieser Pulver, da sie die Leistungs- und Energiedichte der Batterie beeinflusst; sie kann über dynamische Bildanalyse, Laserbeugungs- oder Lichtstreutechnologie bestimmt werden. Darüber hinaus ist es wichtig, die Dichte der verwendeten Pulver zu bestimmen, da diese z.B. die Leitung von Ionen und Ladungsträgern innerhalb der Elektrode beeinflusst.
Bei vielen Batteriemodellen wird das Elektrodenmaterial als Aufschlämmung auf den Stromabnehmer aufgetragen. Hierzu wird es mit leitfähigen Zusatzstoffen, Binde- und Lösungsmitteln versetzt. Um eine homogene Aufschlämmung zu erzeugen, müssen sich die Materialen und Additive gut mischen. Neben der Beschichtung per Aufschlämmung werden auch Trockenbeschichtungen verwendet. Auch hier kommen rheologische Methoden zum Einsatz, die Kosten, Sicherheit und Leistung von Batterien verbessern.
Elektrolyte
Die Ladegeschwindigkeit von Batterien hängt maßgeblich von den Transporteigenschaften des Elektrolyten ab, weshalb verstärkt daran geforscht wird, die ionische Leitfähigkeit und die Überführungszahl der Lithium-Ionen des Elektrolyten zu verbessern. Hierzu ist eine chemische Charakterisierung der verschiedenen Elektrolyt mittels Raman Spektroskopie unerlässlich.
Neben der chemischen Zusammensetzung ist die Konzentration an Lithium-Ionen in der Elektrolytlösung essenziell; sie kann z. B. über die Dichte oder den Brechungsindex bestimmt werden. Auch weitere physikalische Eigenschaften wie die Viskosität und Brennbarkeit des Elektrolyten sind von großer Bedeutung und beeinflussen die Sicherheit, Lade- und Entladegeschwindigkeit. Die beschriebenen Eigenschaften können durch Refraktometer, Dichtemessgeräte, Viskosimeter und Flammpunktprüfer charakterisiert werden.
In Feststoffbatterien wird auf einen flüssigen Elektrolyten verzichtet. Dies verspricht eine längere Lebensdauer, kürzere Ladedauer und höhere Energiedichte im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie. Zur Charakterisierung der Materialien wird unter anderem Röntgendiffraktometrie (XRD) eingesetzt.
Separatoren
In Batterietypen mit flüssigen Elektrolyten kommen poröse Membranen als Separatoren zwischen der Anode und Kathode zum Einsatz. Diese müssen mechanisch robust sein und die Entstehung von Dendriten und Kurzschlüssen verhindern. Gleichzeitig müssen sie eine einheitliche Porengröße aufweisen, die den Ionendurchfluss ermöglicht. Daher sind das Material und die Struktur des Separators zentrale Forschungsthemen.
Batteriezelle
Das Verhalten der Batterien während des Lade- und Entladevorgangs kann mithilfe von XRD untersucht werden. Hierdurch können strukturelle Veränderungen innerhalb der verschiedenen Batteriekomponenten in situ verfolgt werden. Auch Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) kann verwendet werden, um solche in situ Experimente durchzuführen. So können bspw. strukturelle und dynamische Informationen während der Entlade- und Ladezyklen von porösen Multiphasen-Elektroden, wie sie in Lithium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Batterien zum Einsatz kommen, gewonnen werden.
Fazit
Innovative Forschungsprojekte treiben die Leistungsfähigkeit von Batterien ständig voran. Sowohl in der Batterieforschung wie auch in der Qualitätskontrolle ist die Wahl geeigneter Charakterisierungsmethoden von großer Bedeutung.
Autor: Sönke Wengler-Rust, Lead Scientist für Partikel-, Poren- und Pulveranalyse, Anton Paar Germany GmbH, Ostfildern
