Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen

Die Lebensdauer von Batteriezellen wird durch Alterungsmechanismen auf Zell-, Elektroden- und Materialebene begrenzt. Diese Alterungsmechanismen lassen sich durch die Demontage der Zellen und die anschließende Materialcharakterisierung (sogenannte Tear-Down- bzw. Post-Mortem-Analyse) aufklären. Der Schwerpunkt dieses Seminars liegt auf kommerziellen Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen.

Im ersten Teil dieses Seminars werden allgemeine Grundlagen sowie typische Batteriematerialien, Zelldesigns und die Methodik zur Zellöffnung und Post-Mortem-Analysen behandelt. Konkrete Zellöffnungen werden auf der Grundlage aktueller Literatur und Beispielen aus über 15 Jahren Laboralltag gezeigt. Insbesondere werden verschiedene Analysemethoden (einschließlich SEM, EDX, ICP, GD-OES, CT usw.) und deren physikalische und chemische Grundlagen behandelt. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, welche Alterungsmechanismen mit welchen Methoden nachgewiesen werden können.Zu den typischen Materialien in kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen zählen Graphit, SiOx/Graphit- oder Si/Graphit-Materialien für die Anode sowie NMC, LFP oder NCA für die Kathode. Im Gegensatz dazu verwenden kommerzielle Natrium-Ionen-Zellen meist Hardcarbon-Anoden und NFM-Kathoden. Auch Elektrolyte, andere inaktive Materialien und typische Zelldesigns (zylindrisch, pouch, prismatisch, Tabelss) werden behandelt.

Im zweiten Teil werden bekannte Alterungsmechanismen behandelt (z. B. Li-Plating/Na-Plating, SEI-Wachstum, Gasbildung, Degradation von Si-Verbindungen, Partikelbrüche, Elektrodenrisse, Jellyrollverformung, Poreclogging, Auflösung von Übergangsmetallen, EMSI, ...). Es werden auch Beispiele für systematische Materialvariationen in Pilotzellen angeführt. Abschließend werden Möglichkeiten zur Verlängerung der Lebensdauer von Lithium und Natrium-Ionen-Zellen aufgezeigt, wie beispielsweise optimierte Schnellladeverfahren oder optimierte Betriebsfenster (Spannungsbereich, Temperaturbereich, C-Rate). Auch Sicherheitsaspekte bei Second-Life-Anwendungen werden behandelt. Die Inhalte des Seminars basieren auf den eigenen Erfahrungen des Referenten (seit 2011) sowie der aktuellen Fachliteratur.

Zum Thema

Batterien in Fahrzeugen und stationären Anwendungen sollten so lange wie möglich funktionieren – das heißt, sie sollten so wenig Kapazität und Energie wie möglich einbüßen. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen wird durch Alterungsmechanismen auf Materialebene begrenzt. Diese lassen sich durch Post-Mortem-Analysen (Tear-Down-Analyse) und anschließende physikalisch-chemische Materialcharakterisierung aufklären. Sind die Alterungsmechanismen für einen bestimmten Zelltyp bekannt, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um dessen Lebensdauer gezielt zu verlängern. Durch die Verlängerung der Lebensdauer und gegebenenfalls die Wiederverwendung der Zellen in Second-Life-Anwendungen lässt sich die Nachhaltigkeit weiter verbessern und die Abhängigkeit von kritischen Ressourcen verringern. Der Schwerpunkt dieses Seminars liegt auf kommerziellen Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen.