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Institut für Angewandte Materialien (IAM-ESS)

Prof. Dr. Helmut Ehrenberg
Sekretariat: Frau Almut Kriese

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1

D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen

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Fax: +49 721 608-28521

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Web:

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Lebensdaueraspekte von Energiespeichern

Degradationsmechanismen
Zusammenfassung einiger möglicher Degradationsmechanismen für die unterschiedlichen Komponenten einer Lithiumionen-Zelle.
Kathodenmaterial
Lithiumgehalt des Kathodenmaterials LixCoO2 für verschieden ermüdete zylindrische Zellen vom Typ 18650. Der Lithiumgehalt wurde durch Rietveldanalyse eines Neutronenbeugungsdiagramms der vollständigen Zelle bestimmt.

Lithiumionenzellen werden seit der Kommerzialisierung vor ca. 20 Jahren in vielen mobilen Anwendungen eingesetzt. Der nächste Schritt ist heutzutage deren Einführung in aufkommende Märkte wie die Speicherung von Wind- und Solarenergie sowie im Bereich der Elektromobilität. Für diese Einsatzbereiche, in denen ein kosteneffizienter Einsatz nur durch eine hohe Lebensdauer zu erreichen ist, ist es entscheidend, die materialseitigen Degradationsmechanismen genau zu kennen.

Am IAM-ESS werden „in operando“ und „post mortem“ Analysen an Energiespeichern durchgeführt, um die Aktivmaterialien, passive Komponenten sowie die Grenzflächen zwischen diesen zu untersuchen. In der unten gezeigten Abbildung, links, sind mögliche Degradationsmechanismen für die unterschiedlichen Komponenten zusammengefasst. Die „in operando“ Experimente werden dabei vorrangig mit hoch energetischer Synchrotron- und mit Neutronenstrahlung durchgeführt. Dabei werden entweder Vollzellen in verschiedenen Geometrien (typischerweise zylindrische, prismatische oder „pouch“- Zellen) oder speziell entwickelte Testzellen verwendet. Durch diese Art von „in operando“ Untersuchungen können die Vorgänge innerhalb der Zellen untersucht werden, ohne die Zelle öffnen zu müssen. Außerdem können die Zellen während der Experimente mit elektrischen Lastprofilen belegt werden, also beispielsweise mit verschiedenen Strömen geladen und entladen werden. Ein Beispiel für die Bestimmung des Lithiumgehalts der Kathode einer kommerziellen 18650-Zelle mittels Neutronendiffraktion ist in der Abildung rechts gezeigt.

Für die „post mortem“ Analysen werden die Zellen üblicherweise geöffnet und die Komponenten extrahiert, um diese unabhängig voneinander untersuchen zu können. Ein geeigneter Umgang mit den Komponenten ist dabei von entscheidender Bedeutung, da einige Komponenten einer Lithiumionenzelle luft- bzw. feuchtigkeitsempfindlich sind. Dazu wurden spezielle Geräte entwickelt, die eine Öffnung verschiedener Zelltypen unter Argonatmosphäre innerhalb einer Handschuhbox ermöglichen. Für die Überführung der Proben zu den materialanalytischen Geräten stehen verschiedene Kammern zur Verfügung, die einen Transfer ohne Atmosphärenkontakt ermöglichen.

Literatur:

  • O. Dolotko et al., J. Electrochem. Soc. 159, A2082-A2088 (2012).

Links: