Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

N. N.

  • KIT - Campus Süd
    Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

    Arbeitsgruppe Angewandte Mechanik
    Gotthard-Franz-Straße 3, Geb. 50.31  
    76131 Karlsruhe

Forschungsthema

Einfluss des polymeren Bindemittels auf die Performance von Lithium-Ionen Batterien

Lithium-Ionen Batterien (LiB) zeigen großes Potential für Anwendungen als stationäre Energiespeicher und/oder in elektrischen Fahrzeugen. Die Performance der Batterie hängt stark von der Zellfertigung ab. Die Energie- und Leistungsdichte, die Kapazität und die Zyklenstabilität können durch Verbesserung der Elektrodenstruktur und Komponentenverteilung erhöht werden.

Die Elektroden bestehen aus Aktivmaterialien und Stromableitern. Zunächst werden die Aktivmaterialien als Pasten auf die metallischen Stromableiterfolien beschichtet. Diese Pasten enthalten neben den Aktivmaterialpartikeln Ruß zur Verbesserung der Leitfähigkeit und Polymere als Bindemittel. Trotz der enormen Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der LiB ist der tatsächliche Beitrag des Bindemittels zur Zellperformance immer noch unklar. Der Binder sorgt für Kohäsion in der trockenen Elektrodenschicht sowie für die Haftung am Stromableiter. Weiterhin können Binder als Verdickungsmittel wirken und sie werden genutzt, um das Fließverhalten und damit das Verarbeitungsverhalten der Elektrodenpaste zu steuern. Schließlich können Bindemittel auch als Dispergierhilfsmittel für das Aktivmaterial oder die Rußpartikel dienen und so die Komponentenverteilung in der trockenen Elektrodenschicht entscheidend beeinflussen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird systematisch der Einfluss verschiedener polymerer Binder auf die oben genannten Eigenschaften der Elektrodenpasten sowie der trockenen Elektrodenschichten untersucht. Bindertyp und Konzentration, deren Molekulargewicht sowie die Bedingungen der Pastenherstellung werden variiert. Die rheologischen Eigenschaften der Elektrodenpasten und die Mikrostruktur der trockenen Elektrodenschichten sowie die resultierende Komponentenverteilung werden charakterisiert. Leitfähigkeitsmessungen der Elektrodenschichten und Zyklentests der fertigen Elektroden werden zur Untersuchung der elektrochemischen Performance der Zelle durchgeführt. Ein Binder-Design und ein Pastenformulierungskonzept werden basierend auf den resultierenden Daten vorgeschlagen, so dass LiB-Zellen mit verbesserter elektrochemischer Performance, einschließlich einer erhöhten Zyklenfestigkeit, gefertigt werden können.

 

Publikationen

  1. R. Gordon, R. Orias, N. Willenbacher
    Effect of carboxymethyl cellulose on the flow behavior of lithium-ion battery anode slurries and the electrical as well as mechanical properties of corresponding dry layers.
    Journal of Materials Science, submitted
  2. R. Gordon, M. Kassar, N. Willenbacher
    Effect of polymeric binders on dispersion of active particles in aqueous LiFePO4-based cathode slurries as well as mechanical and electrical properties of corresponding dry layers.
    ACS Omega 2020, 5, 20, 11455-11465
    DOI: 10.1021/acsomega.0c00477
  3. R. Balbierer, R. Gordon, S. Schuhmann, N. Willenbacher, H. Nirschl, G. Guthausen
    Sedimentation of lithium-iron-phosphate and carbon black particles in opaque suspensions used for lithium-ion-battery electrodes.
    Journal of Materials Science 2019, 54, 5682-5694
    DOI: 10.1007/s10853-018-03253-2

Präsentationen

  1. R. Gordon, N. Willenbacher
    Understanding the role of polymeric binders in water-based lithium-ion electrodes (Presentation)
    Electrochemical Conference on Energy & the Environment, 21.-26. July 2019, Glasgow, Scotland
  2. R. Gordon, N. Willenbacher
    Flow behavior of aqueous electrode slurries for lithium-ion batteries (Poster)
    Annual European Rheology Conference, 08.-11. April 2019, Portoroz, Slovenia
  3. R. Gordon, N. Willenbacher
    Understanding the role of polymeric binders in water-based lithium-ion electrodes (Presentation)
    Advanced Battery Power, 03.-04. April 2019, Aachen, Germany
  4. R. Gordon, J. Roland, N. Willenbacher
    Influence of binder type and concentration on performance of aqueous cathodes for Lithium-Ion Batteries (Poster)
    16th UECT (Ulm ElectroChemical Talks), 13.-14. November 2018, Ulm, Germany
  5. R. Gordon, N. Willenbacher
    Influence of active material morphology and binder concentration on microstructure and electrochemical performance of Li-ion cathodes (Poster)
    Advanced Battery Power, 10.-11. April 2018, Münster, Germany
Lehrveranstaltungen - Ronald Gordon
Titel Typ Semester Ort
Übung 1.

Geb. 50.35 HS a. F. (Di, 14:00 - 15:30)

Geb. 11.40 Tulla HS (Do, 15:45 - 17:15)