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Formulierung innovativer Pasten zur Herstellung von Lithium-Ionen Batterieelektroden auf Basis von Kapillarsuspensionen

Formulierung innovativer Pasten zur Herstellung von Lithium-Ionen Batterieelektroden auf Basis von Kapillarsuspensionen
Forschungsthema:Formulierung innovativer Pasten zur Herstellung von Lithium-Ionen Batterieelektroden auf Basis von Kapillarsuspensionen
Typ:Studien-, Diplom- oder Bachelorarbeit
Datum:abgeschlossen
Betreuer:

Dipl.-Ing. Boris Bitsch

In Elektronikgeräten wie Smartphones, Laptops oder Navigationsgeräten kommt die Lithium-Ionen-Batterie aufgrund der Leistungskennwerte am häufigsten als Energiespeicher zum Einsatz. Um Lithium-Ionen Batterien auch standardmäßig in elektrischen Fahrzeugen oder als stationäre Speicher für elektrischen Strom einsetzen zu können sind weitere Optimierungen speziell bezüglich der Energie- und Leistungsdichte, den Produktionskosten und der Langzeitstabilität nötig. Hierbei hat neben dem Einsatz verbesserter Aktivmaterialien und der Optimierung der Verfahrensschritte bei der Elektrodenherstellung vor allem die Entwicklung innovativer Pastenkonzepte sehr großes Potential die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Batterien zu steigern. Bei der Herstellung von Elektroden wird aus Kosten- und Sicherheitsgründen verstärkt auf ungefährliche, wässrige Pasten (H2O, Aktivmaterial, Leitfähigkeitsadditiv, Bindemittel, Rheologie-Additiv) gesetzt. Aus diesen Pasten hergestellte Elektrodenschichten zeichnen sich jedoch durch einen relativ hohen Anteil an Additiven aus (ca. 10-20 Vol-%), der nicht zur Kapazität der Zelle beiträgt.

Mit Hilfe des Konzepts von Kapillarsuspensionen lassen sich neuartige wässrige Pasten mit höheren Aktivmaterialanteilen und verbesserten Fließeigenschaften herstellen. Durch Zugabe einer zweiten, in Wasser unlöslichen Flüssigkeit bildet sich ein auf Kapillarbrücken beruhendes Partikelnetzwerk aus, das zu einer gut verarbeitbaren Paste führt. Die hinzugegebene Zweitflüssigkeit verdampft im Trocknungsschritt nach der Beschichtung und bleibt nicht in der Elektrode zurück, weshalb sich höhere Aktivmaterialanteile mit diesem Pastenkonzept realisieren lassen.

Im Zuge der hier ausgeschriebenen Arbeit soll die Rezeptur von wässrigen Kapillarsuspensionspasten für Anoden systematisch variiert werden. Zur Untersuchung des Fließverhaltens der unterschiedlichen Pasten sind rheologische Größen wie z.B. die Fließgrenze und das Speicher- und Verlustmodul zu bestimmen. Anschließend sollen die Pasten mit Hilfe eines am Institut vorhandenen Rakel-Beschichters zu Elektroden zu verarbeitet werden. Ausgewählte fertige Elektroden können schließlich in Kooperation mit Projektpartnern am Campus Nord zu Batteriezellen verarbeitet und getestet werden (optional).

 

Aufgabenstellung:

1)      Herstellung von Elektrodenpasten auf Basis von Kapillarsuspensionen bei systematischer Rezepturvariation

2)      Ermittlung der rheologischer Eigenschaften der verschiedenen Pasten:

                                 i.            Scherrheologische Messungen
                               ii.            Oszillatorische Messungen
3)      Verarbeitung der Pasten zu Elektroden mit Hilfe eines Rakelbeschichters.

4)      Vergleich der Ergebnisse der rheologischen Messungen mit den Erkenntnissen aus den Beschichtungsversuchen.

5)      Schriftliche Ausarbeitung mit Diskussion der Ergebnisse.

 

Betreuung: Boris Bitsch (MVM-AME)

Art der Arbeit: Bachelor- / Studien- / Diplomarbeit

Zu vergeben: nach Absprache ab sofort