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Untersuchung des Slurryeinflusses auf das Beschichtungsverhalten von Lithium-Ionen Batterieelektroden

Untersuchung des Slurryeinflusses auf das Beschichtungsverhalten von Lithium-Ionen Batterieelektroden
Forschungsthema:Untersuchung des Slurryeinflusses auf das Beschichtungsverhalten von Lithium-Ionen Batterieelektroden
Typ:Bachelor- oder Masterarbeit
Datum:abgeschlossen
Betreuer:

Dipl.-Ing. Boris Bitsch

Lithium-Ionen Batterien wird großes Potential als Energiespeicher für stationäre Anwendungen oder in voll-elektrischen Fahrzeugen zugeschrieben. Zur verstärkten Marktdurchdringung in diesen Bereichen sind jedoch weitere Verbesserungen vor allem hinsichtlich der Energie- und Leistungsdichte, den Produktionskosten und der Zyklenstabilität notwendig. Neben der Entwicklung neuer Elektroden-, Separator- oder Elektro-lytmaterialien gerät die Optimierung der Elektrodenrezeptur speziell hinsichtlich des Einsatzes optimierter Additivkomponenten zunehmend in den Fokus der angewandten elektrochemischen Forschung. Vorrangig muss die mechanische Stabilität der Aktivmaterialschicht auf der Substratoberfläche garantiert werden. Hier-zu werden polymere Additive eingesetzt, die zum einen die Haftung der Aktivmaterialschicht zum Substrat (Adhäsion) und zum anderen die Verklebung innerhalb der Elektrodenschicht (Kohäsion) gewährleisten sol-len. Zusätzlich lassen sich mit Hilfe dieser Binder und von weiteren Rheologie-Additiven die Fließeigenschaf-ten und damit indirekt die Stabilität von Elektrodenslurries einstellen, was ein weiteres wichtiges Kriterium für einen stabilen Herstellungsprozess ist.

Bisherige Elektrodenslurries verwenden vorrangig N-Methyl-Pyrrolidon (NMP) als Dispersions- und Lösemit-tel. Aufgrund der hohen Kosten, der aufwendigen Arbeitsschutzmaßnahmen und der problematischen Ent-sorgung besteht ein hohes Interesse daran, NMP durch das kostengünstigere und ökologisch unbedenkli-chere Wasser zu ersetzen. Allerdings erfordert eine solche Substitution die Entwicklung neuer Binder- und Additivsysteme, sowie eine Anpassung der Prozesstechnik.

Im Rahmen dieser Arbeit soll nun systematisch der Einfluss des Bindemittels und Rheologie-Additivs Polyacrylsäure (PAA) auf die Eigenschaften von wässrigen Kathodenslurries untersucht werden. Speziell der Einfluss von Molmasse und Bindemittelmenge auf die Slurryhomogenität und –stabilität, sowie des Beschichtungsverhaltens und die Wechselwirkung mit anderen Beschichtungsadditiven ist zu ermitteln. Hierzu sollen zum einen scherrheologische Messmethoden zur Untersuchung der Slurrystabilität eingesetzt werden. Zum anderen sind Beschichtungen bei Verwendung eines Rakelbeschichters herzustellen und die Beschichtungsqualität mit Hilfe gravimetrischer Messmethoden, Widerstandsmessung, 2D-Lasertriangulation, sowie Rasterelektronenmikroskopie (REM) an getrockneten Filmen zu analysieren. Diese Ergebnisse sollen in Abhängigkeit vom Fortschritt der Arbeit mit Versuchen am Schlitzgussbeschichtungsstand der Thin Film Group des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik (TVT-TFT), sowie mit elektrochemischen Zelltestversuchen beim IAM-WPT ergänzt werden.

Aufgabenstellung:
1) Ermittlung der rheologischen Eigenschaften von Elektrodenpasten bei sinnvoller Rezepturvariation (PAA-Molmasse, PAA-Menge)
i. Scherrheologische Messungen
ii. Oszillatorische Messungen
2) Herstellen von Beschichtungsfilmen und Analyse der Beschichtungseigenschaften mit Hilfe von 2D-Lasertriangulation, Porositätsmessungen und REM-Aufnahmen
3) Korrelation der Erkenntnisse aus den rheologischen Messungen mit den Ergebnissen der Beschich-tungsversuche und Zelltests
4) Schriftliche Ausarbeitung mit Diskussion der Ergebnisse

Datum: nach Absprache jederzeit möglich

Betreuung: Boris Bitsch (MVM-AME), Sanghoon Sung (MVM-AME), Dr. Werner Bauer (IAM-WPT)