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.