HysKaDi – Analyse der Hysterese und Alterung von Aktivmaterial via Kalorimetrie und Dilatometrie

Ein Baustein auf dem Weg der stetigen Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien ist die Erforschung und Erprobung neuartiger Aktivmaterialien. Zwei vielversprechende Aktivmaterialien der nächsten Generation, die im Fokus des Projekts HysKaDi stehen, sind Silicium und Li- und Mn-reiche NCMs (LMR-NCM). Diese zeichnen sich, neben anderen vorteilhaften Eigenschaften, vor allem durch eine deutlich erhöhte Energiespeicherdichte gegenüber etablierten Elektrodenmaterialien aus.

Jedoch weisen Silicium und LMR-NCM bei der (De-)Lithiierung eine erhebliche Hysterese im Ruhepotential (open circuit potential, OCP) auf. Deren Ursachen sind bis dato nicht ausreichend untersucht und verstanden. Die Hysterese hat durch die Spannungsdifferenz nicht nur eine verminderte Effizienz zur Folge, sondern führt durch die Verluste zusätzlich zu einer höheren Wärmelast. Hochaufgelöste kalorimetrische Messungen während des Ladens bzw. Entladens geben Auskunft über das Ausmaß des Wärmebeitrags des Aktivmaterials. Die Quantifizierung der entsprechenden Wärmeterme ist ein essenzieller Eingangsparameter für das Zelldesign und die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen und Kühlsystemen.

Silicium-basierte Anodenmaterialien weisen neben der OCP-Hysterese eine signifikante Volumenausdehnung von bis zu 300% beim Laden auf. Die morphologische Veränderung stellt einen permanenten mechanischen Stress für die Silicium-Partikel dar und führt über die langfristige Zyklisierung häufig zu einer Degradation der Elektrodenstruktur. Operando dilatometrische Messungen bzw. Druckmessungen erlauben eine Analyse der Ausdehnung der Partikel bzw. Elektroden sowie des Einflusses auf die Alterung.

Forschungsschwerpunkte im Projekt HysKaDi bei der Analyse von Aktivmaterialien der nächsten Generation.

Ein übergeordnetes Ziel des Projekts HysKaDi ist es, standardisierte und reproduzierbare Testmethoden für die Analyse der Struktur-Eigenschafts-Beziehung hysteresebehafteter Aktivmaterialien zu etablieren. Dazu sollen neue Verfahren der Kalorimetrie und Dilatometrie von Elektroden entwickelt, deren Methodik verifiziert und deren Ergebnisse validiert werden. Zudem sollen Programme zur automatisierten Datenauswertung und Visualisierung für die Untersuchung und Interpretation der Messdaten zur Verfügung gestellt werden. Die Ergebnisse aus beiden Studien werden final zusammengetragen, um ein methodenübergreifendes Verständnis der Hysterese zu erlangen.