"in operando" study of Li(Ni,Co,Mn)O2 cathode materials (NCM) by local and global methods of structure investigation - materials modification and fatigue (T03#)

• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5485550

Lithiumionenbatterien sind derzeit die wieder aufladbaren Energiespeichersysteme für mobile Anwendungen mit den höchsten spezifischen Kapazitäten und Leistungsdichten. Der serienmäßige Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb steht unmittelbar bevor, und für reine Elektrofahrzeuge sind Lithiumionenbatterien nach derzeitigem Stand die aussichtsreichsten Energiespeichersysteme.Für einen Durchbruch dieser emissionsfreien und damit erheblich umweltfreundlicheren Antriebstechnologie ist jedoch eine weitere Erhöhung der Energiedichte erforderlich. Diese Anforderung führt zwangsläufig zu einer noch weiter zunehmenden Bedeutung der Sicherheitsaspekte beim Betrieb. Für einen wirtschaftlichen Betrieb eines elektrifizierten Fahrzeugs ist zudem die Kenntnis über die Lebensdauer des Energiespeichers Voraussetzung. Hierzu ist es erforderlich, die in einer Batterie ablaufenden Degradationsmechanismen zu verstehen und die verwendeten Materialien zu optimieren. Dieser Ansatz wird bereits intensiv innerhalb des Sonderforschungsbereichs (SFB) anhand von Testzellen mit in den Projekten selbst hergestellten Materialien verfolgt und soll nun im Einklang mit der Konzeption des SFB auf reale kommerzielle Bauteile mit industriell hergestellten und in den fertigen Produkten eingesetzten Materialien erweitert werden. Da belastbare Informationen über die innerhalb einer Batterie ablaufenden Prozesse nur unter realen Betriebsbedingungen erhalten werden können, müssen innerhalb des Transferprojekts die bisher verwendeten Methoden derart weiterentwickelt werden, dass kommerziell erhältliche Batterie-Typen im Realbetrieb durch „in operando“ Verfahren untersucht werden können.Neben den bereits im SFB etablierten komplementären „in operando“ Methoden der Neutronendiffraktion und Neutronentomographie soll der Multiskalen-Ansatz durch die Entwicklung eines „in operando“ Experimentes für die paramagnetische Elektronenresonanzspektroskopie (EPR) auf atomare Dimensionen ausgedehnt werden. Dadurch können defektchemische Prozesse untersucht werden, die in Kombination mit den komplementär im SFB vorhandenen Methoden zu einem Gesamtbild der Ermüdungserscheinungen bei hohen Zyklenzahlen beitragen. Darauf aufbauend sollen Ansätze für verbesserte Materialkonzepte abgeleitet werden, die aufgrund der Zusammenarbeit mit dem Industriepartner BOSCH mittelfristig Eingang in Produkte finden.

• DFG Programme: Collaborative Research Centres (Transfer Project)
• Subproject of: SFB 595: Electric Fatigue in Functional Materials
• Applicant Institution: Technische Universität Darmstadt
• Co-Applicant Institution: Karlsruher Institut für Technologie
• Project Head: Professor Dr. Helmut Ehrenberg