Home | english  | Impressum | Datenschutz | Sitemap | KIT

Untersuchung des Strukturwiederaufbaus bei wässrigen Anodenpasten basierend auf Kapillarsuspensionen

Untersuchung des Strukturwiederaufbaus bei wässrigen Anodenpasten basierend auf Kapillarsuspensionen
Forschungsthema:Untersuchung des Strukturwiederaufbaus bei wässrigen Anodenpasten basierend auf Kapillarsuspensionen
Typ:Bachelor-, Studien-, Master- oder Diplomarbeit
Datum:abgeschlossen
Betreuer:

Dipl.-Ing. Boris Bitsch

In Elektronikgeräten wie Smartphones, Laptops oder Navigationsgeräten werden Lithium-Ionen-Batterien aufgrund sehr guter Leistungskennwerte üblicherweise als Energiespeicher eingesetzt. Um Lithium-Ionen Batterien auch in Elektro-Fahrzeugen oder als stationäre Speicher für elektrischen Strom einsetzen zu können, sind Optimierungen speziell bezüglich der Energie- und Leistungsdichte, den Produktionskosten und der Langzeitstabilität nötig. Hierbei hat neben dem Einsatz verbesserter Aktivmaterialien und der Optimierung einzelner Verfahrensschritte bei der Elektrodenherstellung vor allem die Prozessintegration zur besseren Abstimmung der einzelnen Verfahrensschritte ein großes Potential zur Verbesserung der Elektrodeneigenschaften.

Mit Hilfe des Konzepts von Kapillarsuspensionen lassen sich neuartige wässrige Pasten mit gesteigerten Aktivmaterialanteilen und verbesserten Verarbeitungseigenschaften herstellen. Durch Zugabe einer zweiten, in Wasser unlöslichen Flüssigkeit bildet sich ein auf Kapillarbrücken beruhendes Partikelnetzwerk aus, das zu großen Vorteilen beim Beschichten führt. Aufgrund sehr hoher Nullviskositäten der neuartigen Pasten zeigen diese deutlich bessere Konturschärfe speziell im Bereich der Beschichtungsränder im Vergleich zu herkömmlichen Pasten. Während des Beschichtungsschrittes, bei dem hohe Schubspannungen auf die Paste wirken, wird das Netzwerk aus Kapillarbrücken zwar zerstört, allerdings baut es sich sehr schnell wieder auf und garantiert deutlich steilere Anstiegswinkel im Randbereich der Schicht. Der Strukturwiederaufbau verläuft allerdings thixotrop, weshalb unklar ist, welche effektive Nullviskosität die Kapillarsuspension besitzt.

Im Zuge der hier ausgeschriebenen Arbeit soll mit Hilfe rheologischer Messgeräte die Zerstörung des Kapillarnetzwerkes herbeigeführt und anschließend der thixotrope Strukturwiederaufbau systematisch untersucht werden. Hierfür geeignete Messprogramme (Scherrheometrie und Schwingungsrheometrie) sind zu testen und zu validieren. Anschließend sind verschiedene Parameter der Pastenrezeptur wie beispielsweise Feststoffanteil und Zweitflüssigkeitsanteil konsequent zu variieren. Die rheologischen Eigenschaften der Kapillarsuspensionen sind mit den Anstiegswinkeln der nassen Schichten, die mit Hilfe von 2D-Lasertriangulation bestimmt wurden, zu korrelieren.

Darüber hinaus ist gewünscht ein nicht-thixotropes Vergleichssystem zu formulieren: Hierzu sind mit Hilfe kommerzieller Gelbildner oder Verdicker wie z.B. Carbopol-D oder Xanthan wässrige Lösungen zu formulieren, die in ihren rheologischen Eigenschaften den Elektrodenpasten auf Kapillarsuspensionsbasis sehr nahe kommen. Anhand dieses Vergleichssystems wäre es wünschenswert im letzten Schritt (fakultativ, in Abhängigkeit vom Fortschritt der Arbeit) ebenfalls die Anstiegswinkel in Abhängigkeit von der Nullviskosität zu bestimmen, um schließlich die real existierenden Nullviskositäten der Kapillarsuspensionen bestimmen zu können.


Zusammenfassung der Aufgabenstellung:

  1. Herstellung von Elektrodenpasten auf Basis von Kapillarsuspensionen bei systematischer Rezepturvariation (Zweitphasenanteil,  Gesamtfeststoffanteil).
  2. Untersuchung des Strukturwiederaufbaus der Kapillarsuspensionen nach starker Scherung durch scherrheologische und schwingungsrheologische Messungen.
  3. Korrelation der Nullviskositäten der Kapillarsuspensionen mit dem Anstiegswinkel des Beschichtungsrandes.
  4. Entwicklung eines wässrigen Vergleichssystems zu den Kapillarsuspensionen mit ähnlichem rheologischen Verhalten auf Basis von polymeren Verdickern oder Gelbildnern.
  5. „Benchmarking“ der Nullviskosität der thixotropen Kapillarsuspension nach Strukturwiederaufbau.
  6. Schriftliche Ausarbeitung mit Diskussion der Ergebnisse.