Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Li-Ionen-Batterien auf der Basis eines ganzheitlichen Bindemittelkonzepts für wässrige Elektroden-Slurries
Energieverfahrenstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Elektrochemische Energiespeicherung spielt eine wichtige Rolle für eine zuverlässige zukünftige Energieversorgung und individuelle Mobilität. Heute dominieren Lithium-Ionen-Batterien (LiB) dieses Technologiefeld. Die Effizienz von Batterien hängt stark von der Gestaltung der Elektroden ab. Unser Forschungsprojekt konzentrierte sich auf das Verständnis der Grundlagen, die die Funktionalität von polymeren Bindemitteln steuern, um ein Bindemittel-Konzept zu entwickeln, das Elektroden für LiB-Zellen mit verbesserter elektrochemischer Leistung und langer Batterielebensdauer ermöglicht. Die Kapazität des Aktivmaterials soll durch passend gestaltete Bindemittel möglichst vollständig genutzt werden. Das Konzept basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz, der alle Aspekte der Bindemittelfunktionalität einbezieht. In Erwartung einer stark wachsenden Nachfrage nach LiB konzentrieren wir uns auf wasserbasierte Slurries, die modernste Aktivmaterialien und eine Kombination aus Carboxymethylcellulose (CMC) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) als Referenz-Bindemittel enthalten. Zunächst konnten wir nachweisen, dass die Zugabe von SBR die Kohäsionsfestigkeit von Anodenschichten verbessert, die eine Schlüsselrolle bei der Widerstandsfähigkeit gegen äußere Belastungen während der Elektroden- und Zellherstellung spielt. Hohe SBR-Konzentrationen führt jedoch zu einer Verschlechterung der elektrochemischen Zellleistung, was hauptsächlich auf einen erhöhten Innenwiderstand und eine SBR-Degradation zurückzuführen ist. Mit dem Ziel, den SBR-Gehalt zu reduzieren, untersuchten wir, wie der adsorbierende CMC-Binder indirekt die Adhäsion und Kohäsion der Elektrodenschicht stört. Eine Erhöhung des CMC-Molekulargewichts, die einer stärkeren Adsorption des Polymers auf der Oberfläche des Aktivmaterials entspricht, führt zu einer Abnahme der Adhäsion der Graphit- und Graphit-Mikro-Si-Verbundanoden auf dem Stromkollektor. Darüber hinaus kann die Haftung von Elektroden durch die Struktur der Aktivmaterialien beeinflusst werden. Wir konnten zeigen, dass SBR-Partikel in den Hohlräumen der Nano-Si-Agglomerate eingeschlossen werden können, und dass Graphit-Nano-Si-Verbundanoden daher eine deutlich geringere Haftung aufweisen, obwohl die Nanosilizium-Partikel nur eine sehr geringe Menge an CMC adsorbieren. Aufgrund dieser Erkenntnisse haben wir ein Bindemittelkonzept auf der Grundlage eines hocheffizienten, nicht adsorbierenden, vernetzten Acrylatverdickers evaluiert, mit dem wir den Bindemittelverbrauch um etwa 40 % senken und, insbesondere bei hohen Lade-/Entladeraten, eine bessere Leistung als die Referenzanoden erzielen konnten. Aufgrund der zu geringen Kohäsion war die Zyklenstabilität dieser Anoden jedoch etwas geringer als die der Referenzanoden. Durch weitere Verfeinerungen in Bezug auf Menge, Molekulargewicht und Vernetzung des Polymeren sollte es möglich sein, bei einem geringeren Bindemittelgehalt eine bessere Gesamtleistung der Batterie im Vergleich zum Stand der Technik zu erzielen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effect of mechanical properties on processing behavior and electrochemical performance of aqueous processed graphite anodes for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 593, 233996.
Hofmann, Katarzyna; Hegde, Akshay Dattatraya; Liu-Theato, Xinyang; Gordon, Ronald; Smith, Anna & Willenbacher, Norbert
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How carboxymethylcellulose adsorption and porous active material particles diminish the adhesion of graphite-silicon anodes in lithium-ion batteries. Energy Materials, 5(8).
Hofmann, Katarzyna & Willenbacher, Norbert
