Katarzyna Pesta

Katarzyna Pesta

  • Straße am Forum 8
    76131 Karlsruhe

Forschungsthema

Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Li-Ionen Batterien auf der Basis eines ganzheitlichen Bindemittelkonzepts für wässrige Elektroden-Slurries

Lithium-Ionen Batterien zeigen großes Potential für Anwendungen als stationäre Energiespeicher und/oder in elektrischen Fahrzeugen. Eine sekundäre Lithium-Ionen-Batterie besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: zwei Elektroden, einem Elektrolyten und einem Separator. Die Elektroden stellen dabei die Struktur zur Verfügung, in denen die Lithium-Ionen eingelagert werden können. Zur Herstellung von Elektroden werden zuerst die Ausgangsmaterialien miteinander gemischt und zu einer homogenen Paste, der sogenannten Slurry, verarbeitet. Diese enthält Aktivmaterial und nicht elektroaktive Additive – Kohlenstoff zur Verbesserung der Leitfähigkeit und Polymere als Verdicker, Dispergier- und Bindemittel. Trotz der enormen Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Li-Ionen-Batterien ist der tatsächliche Beitrag dieser Polymer zur Zellperformance immer noch unklar.

Basierend auf systematischen Untersuchungen zum Fließverhalten der Pasten, der Adhäsion und Kohäsion der getrockneten Schichten, sowie deren elektrochemischen Eigenschaften soll im Rahmen dieser Forschungsarbeit ein Bindemittel-Konzept entwickelt werden, das Elektrodenschichten mit guten elektrochemischen Eigenschaften, hoher Zyklenfestigkeit und langer Batterielebensdauer liefert. Mit Blick auf die ökologischen Anforderungen an die modernen Lithium-Ionen-Batterien werden die Elektroden-Slurries als wässrige Suspensionen formuliert, die etablierte Aktivmaterialien und eine Kombination aus Carboxymethylcellulose (CMC) sowie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) als Polymer-Additive enthalten.  Darüber hinaus soll ein innovatives Beschichtungskonzept ausgearbeitet werden, das auf der Applikation zweier Schichten mit unterschiedlichen mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften basiert, um so hohe Adhäsion und Kohäsion bei reduzierter Polymerkonzentration zu erreichen. Ein Schwerpunkt werden Untersuchung zum Einfluss der Polymere auf die Zyklenlebensdauer der Zellen sein. Neben den etablierten Graphit-Anoden sollen auch neue Konzepte mit Graphit/Silizium Mischungen als Aktivmaterial im Hinblick auf geeignete Polymer-Additive untersucht werden.

Bachelor-/Masterarbeit

  • Forschungsthema:Einfluss der Haftungskraft der Beschichtung auf das Verarbeitungsverhalten und die elektrochemische Performance wasserbasierter Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien
  • Datum:Ab sofort
  • Betreuer:

    Katarzyna Pesta

    Ronald Gordon

  • Lithium-Ionen Batterien (LIB) zeigen großes Potential für stationäre Energiespeicher und elektrische Fahrzeuge. Die Performance der Batterie hängt stark von der Zell- sowie Elektrodenfertigung ab. Die Energie- und Leistungsdichte, die Kapazität und die Zyklenstabilität können durch Verbesserung der Elektrodenformulierung und –Struktur erhöht werden.

    Die Elektrode besteht aus einem metallischen Stromableiter und einer Aktivmaterialschicht, die zusätzlich Leitfähigkeitsverstärker und ein polymeres Bindemittel enthält. Diese Komponenten werden zunächst mit Hilfe eines Lösungsmittels als Paste verarbeitet. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Elektrode werden meistens Rußpartikel zugegeben. Polymere Bindemittel gewährleisten die Haftung auf der Stromableiterfolie und die Kohäsion der getrockneten Elektrodenschicht. Diese Bindemittel dienen auch als Dispergierhilfsmittel für das Aktivmaterial und für den Ruß sowie zur Einstellung des Fließverhaltens. Trotz der enormen Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der LIB ist der genaue Einfluss des Bindemittels und der damit verknüpften mechanischen Eigenschaften auf das Verarbeitungsverhalten der Elektrode sowie die resultierende Zellperformance noch unklar.

    Im Rahmen dieser Arbeit soll der Einfluss der Haftungskraft der Elektrode auf ihr mechanisches Verhalten bei den Verarbeitungsschritten der Zellfertigung sowie auf die elektrochemische Performance von fertigen Zellen für LIB untersucht werden.

    Zunächst sollen bei konstanten Mischbedingungen Anodenpasten hergestellt werden. Als Aktivmaterial wird Graphit sowie ein Graphit-Silizium-Blend verwendet. Als leitfähiges Additiv werden Rußpartikel eingesetzt. Als Bindemittel werden Carboxymethylcellulose (CMC) und verschiedene Typen Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) verwendet, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und Vernetzung unterscheiden. Darüber hinaus soll die SBR-Konzentration variiert werden, um unterschiedliche Haftungsgrade zwischen Ableiterfolie und Elektrodenschicht einzustellen. Weiterhin sollen die Elektrodenpasten mit Hilfe des Rakelverfahrens auf Kupferfolie beschichtet werden. Dabei sollen Elektroden mit unterschiedlichen Filmdicken hergestellt werden. Die Adhäsion der Elektrodenschicht zur Ableiterfolie wird nun anhand von 90°-Schältests bestimmt. Anschließend werden die entsprechenden Elektroden weiter zu Knopf- bzw. Laborzellen am Batterietechnikum des KIT (Gruppe Zellentwicklung/-tests IAM-ESS) verarbeitet. Dabei werden die Elektroden bei den Verarbeitungsschritten wie z.B. Kalandrieren, Schneiden und Stanzen auf ihr mechanisches Verhalten wie etwa Delaminierung und Bruch der Elektrode optisch untersucht. Schließlich, sollen Halb- und Vollzellen mit den entsprechenden Elektroden in Zyklentests auf ihr elektrochemisches Verhalten untersucht werden. Die mechanische Degradation der Elektroden soll mit Hilfe einer optischen post-mortem Analyse untersucht werden. Die resultierenden Ergebnisse der Elektrodenverarbeitung sowie Zelltestung und -öffnung sind mit der Adhäsion der Elektrode zu korrelieren. Schließlich, soll bei entsprechendem Fortschritt der Arbeit die Adhäsion der Elektroden nach der Zyklierung durch Schältests bestimmt werden.

    Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in schriftlicher Form übersichtlich zu dokumentieren und in einem Seminarvortrag vorzustellen.