MiCha – Mikrostrukturcharakterisierung von Elektroden und Wirkzusammenhänge mit Elektrodenperformance und -alterung
Lithium-Ionen-Batterien zählen zu den wesentlichen Schlüsseltechnologien für eine ressourceneffiziente Mobilität und das Erreichen der weltweiten Klimaschutzziele. Wichtige Zielgrößen wie Energiedichte, Stromratenfähigkeit und Lebensdauer werden maßgeblich durch die Mikrostruktur der eingesetzten Materialien und Elektroden bestimmt. Neben makroskopischen Parametern wie Schichtdicke und Massebeladung sind mikroskopische Eigenschaften wie z.B. Porosität und Homogenität der Elektroden entscheidend für die Zellperformance.
Um wettbewerbsfähige Zellen in Deutschland produzieren zu können, sind fundierte Kenntnisse der Zusammenhänge dieser Eingangsparameter mit den geforderten Zelleigenschaften (Zielgrößen) unabdingbar. Dies erfordert passgenaue Analysemethoden mit effizienten, standardisierten Vorgehensweisen, die eine umfängliche und reproduzierbare Analyse der relevanten Parameter auch im industriellen Umfeld ermöglichen.
Abbildung 1: MiCha: Mikrostrukturcharakterisierung von Elektroden und Wirkzusammenhänge mit Elektrodenperformance und -alterung [1] Lichtmikroskopische Aufnahme einer Li-Ionen-Batterie (200x), [2] 3D-Rekonstrukutuion einer FIB/SEM-Tomographie, [3] Verteilung der Stromlinien und Li-Ionen Trajektorien in der Batterie, [4] GD-OES Tiefenprofilmessung an der Anode aus einer gealterten Zelle mit Graphitanode
In MiCha werden hierzu komplementäre ex-situ und operando Methoden (wie z.B. Mikroskopie, µCT, FIB-SEM oder Ultraschall) der Partner insbesondere hinsichtlich Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Effizienz (weiter-)entwickelt, validiert und in Form von Charakterisierungs-Workflows zusammengeführt, die passgenaue Mikrostrukturanalysen ermöglichen. Diese werden unter anderem zur Charakterisierung von Benchmark-Zellen herangezogen, um Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu ermitteln und – post-mortem – Alterungsmechanismen aufzuklären. Dabei werden die experimentellen Ansätze durch mikrostrukturbasierte Simulationen unterstützt, die eine Extrapolation der gefundenen Zusammenhänge auf variierende Strukturparameter ermöglichen und dazu beitragen, Alterungsprozesse besser zu verstehen.