Angewandte Mechanik

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.