AnaLiBa – Analytik an Lithium-Ionen-Batterien

Neben der Energiedichte und Langlebigkeit ist die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ein entscheidender Faktor für deren Akzeptanz und Marktdurchdringung. Leider geht die Erhöhung der Energiedichte auch mit zunehmender Reaktivität und Heftigkeit der Energiefreisetzung und damit reduzierter Zellsicherheit einher. Neue Materialien müssen deshalb auf ihre Sicherheit getestet werden, bevor sie in großen Stückzahlen verbaut werden. Dies erfordert passgenaue, standardisierte Analysemethoden zur umfänglichen Analyse des Sicherheitsverhaltens auf Zellebene im industriellen Umfeld.

Das Projekt AnaLiBa (Analytik von Lithium-Ionen-Batterien) beinhaltet die Anwendung und Weiterentwicklung von etablierten Analysetechniken zur Untersuchung des Sicherheitsverhaltens von LIB sowie die Kombination von verschiedenen Techniken zur Erzielung von Synergieeffekten.

Beispielsweise wird die etablierte ARC-Methode (Accelerating Rate Calorimetry) zur Bestimmung von sicherheitsrelevanten Onset-Temperaturen mit gasanalytischen Methoden wie GC-MS und Online-MS kombiniert und so die in-operando Charakterisierung von exothermen Reaktionen und der dabei involvierten Gase während der Zellöffnung (Venting) oder des Thermal Runaways ermöglicht.

Dazu soll begleitend die Methode der Online-MS weiterentwickelt werden: Die Methode besticht v. a. durch einen niedrigen Probengasbedarf (im Bereich von µL/min) und der möglichen Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines Batterietests bei dem intern oder extern verschiedene Gase gebildet werden. Ohne eine chromatographische Vortrennung, wie sie zum Beispiel bei der GC-MS-Analyse erfolgt, erreichen aber alle Gaskomponenten zeitgleich den Analysator. So lassen sich wichtige Zielsubstanzen von häufig anzutreffenden – sicherheitskritisch unrelevanten – andere Komponenten teilweise nicht unterscheiden. Betroffen sind hier z. B. das giftige Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoff (N2) oder der sehr toxische und ätzende Fluorwasserstoff (HF) und Wasser (H2O) bzw. das oftmals zur Inertisieurng verwendete Argon (Ar). Zur Erreichung dieses Projektziels kommt dem Einlasssystem des Online-MS eine wichtige Aufgabe zu und es sollen verschiedene Lösungsansätze zur Substanzüberlagerung innerhalb des Projektes untersucht werden. Auch eine Weiterentwicklung der GC-MS-Anwendung und eine Ausdehnung auf weitere relevante Zielsubstanzen sind Ziele des Projektes.

Die thermischen Eigenschaften von LIB – vor allem im Abusefall – sind wichtige Parameter für die Simulation des Zellverhalten und der der Zellpropagation und um hieraus geeignete Gegenmaßnahmen abzuleiten. Zur Bestimmung der ausgestoßenen, wie der im Zellrest verbleibenden Energiemenge in Abhängigkeit vom Zellzustand wird innerhalb des Projektes ein spezieller Thermoblockaufbau entwickelt und am Beispiel von 21700-Zellen auf die Fragestellung angewendet. Dazu erlaubt die Anwendung von Autoklaventests die gasanalytische Grundcharakterisierung der Projektzellen mittels bereits etablierten umfangreichen Gasanalytik. Diese Ergebnisse dienen als Ausgangspunkt und Vergleichsbasis für die zu entwickelnden ARC-MS-Methoden.

Praxisrelevante Lösungen sollen im Bereich von Flüssigelektrolytadditiven zum Flammschutz und der Gasprobenahme aus LIB erarbeitet werden. So sollen auch kommerzielle LIB-Zellen auf, die infolge einer Zellalterung oder anderer Vorbehandlungen hin gebildeten Gase untersuchbar gemacht werden. Somit können Mechanismen der Zellalterung, aber auch Produktionsfehler erkannt werden. Hier findet eine nahtlose Verknüpfung mit den Fragestellungen der Kompetenzcluster „Recycling/Green Battery“, „BattNutzung“ sowie den beiden anderen Plattformen des AQua-Clusters statt. Hierzu sind entsprechende Probenahmewerkzeuge und Methoden zu entwickeln.

Zur Erreichung reproduzierbarer Ergebnisse kommt der Erarbeitung von Standard-Workflows sowohl innerhalb des Projektes als auch projektübergreifend innerhalb des AQua-Clusters eine wichtige Bedeutung. Beispielsweise haben frühere ARC-Untersuchungen im Fall des Lithium-Platings gezeigt, dass den Arbeitsabläufen und Zeitspannen eine für das Ergebnis entscheidende Rolle zukommen. Diese erarbeiteten Standard-Workflows werden anschließend Industrie- und Forschungspartnern im Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“ zur Verfügung gestellt, um Ergebnisse vergleichbar zu machen und so eine schnellere Zellentwicklung zu fördern.