Entwicklung von 3D-Modell-Elektroden mit Hybrid-Fertigungsprozessen (3D-Bat-Hybrid)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde durch die Kombination additiver („Bottom-up“-Ansatz durch Laser- Ablation) und subtraktiver („Top-Down“-Ansatz durch Laser-Drucken) Techniken dreidimensional (3D) geordnete Mikrostrukturen und Materialanordnungen in Modell-Anoden für Li-Ionen- Batterien entwickelt und gefertigt. Ziel war es die Degradation durch die Volumenausdehnung von Si-basierten Anoden während des Zyklisierens durch eine räumliche Separation verschiedener Aktivmaterialien zu minimieren und optimierte Si/C-Anodenarchitekturen zu entwickeln. Ausgehend von im Schlickerguss hergestellten Graphitelektroden wurden die gängigen Strukturmuster – Loch-, Linie- und Gitterstruktur – in die Elektroden durch Laserablation eingebracht. Dabei wurde die Ablationscharakteristik von Graphitelektroden systematisch untersucht, da die gezielte Einstellung der Strukturabmessungen essenziell für die Weiterverarbeitung durch den Laser-Druck-Prozess ist. Die strukturierten Elektroden wurden zusätzlich elektrochemisch in Vollzellen und symmetrischen Zellen charakterisiert. Dabei wurden 3 unterschiedlich hohe Zellbeladungen getestet für Kathoden im Bereich von 1,7 mAh cm-2 - 3,8 mAh cm-2 und für Anoden im Bereich von 2,1 mAh cm-2 - 4,4 mAh cm-2. Es konnte gezeigt werden, dass die Zellen mit linien- und gitterstrukturierten Elektroden höhere spez. Kapazitäten erreichen als Zellen mit lochstrukturierten oder unstrukturierten Elektroden. Als möglicher Grund für eine schlechtere Performance von Zellen mit unstrukturierten und lochstrukturierten Anoden beim Schnellladen ließ sich aus der post-mortem Analyse der Zellen ableiten. Metallisch glänzende Ablagerungen auf den Elektroden konnten dabei Li-Abscheidungen, verursacht durch die Schnellladung, zugeordnet werden. Auffällig war dabei die charakteristische Ausprägung der Li-Abscheidungen in Abhängigkeit des jeweiligen Strukturtyps. Für die Strukturierungen mit Kapillarstrukturen (Linie und Gitter) ist der Abstand des abgeschiedenen Lithiums zum Rand der Elektrode in Richtung der Kapillare konstant. Somit bilden sich für die Linienstrukturen eine charakteristische elliptische Form aus. Dies wiederum lässt auf eine Limitierung der Ratenfähigkeit durch eine eingeschränkte Wiederbenetzung mit Elektrolyten schließen. Für den Druckprozess wurde zuerst die Ausgangslage nachgestellt. Da der dabei verwendete PVDF Binder zu schwache Bindungen zu den Partikeln aufweist (Van-der-Waals Kräfte), ist der Binder nicht geeignet für den Einsatz in Si-haltigen Zellen. Für den Einsatz in Si-haltigen Elektroden wurde PAA Binder im Folgenden verwendet. Durch die hohe Verdunstungsrate von Wasser war eine ausschließlich auf Wasser basierte Druckpaste nicht praktikabel, somit musste ein protisches Lösungsmittel verwendet werden, dass einen geringeren Dampfdruck im Vergleich zu Wasser aufweist. Aufgrund seiner ungiftigen Eigenschaft und der Verwendung in anderen Themengebieten als Lösungsmittel für eine Suspension, die mittels LIFT-Prozess gedruckt wurde, wurde eine Mischung aus Wasser und Glycerin als Lösungsmittel verwendet. Zunächst wurde der Einfluss von Glyzerin auf die elektrochemischen Eigenschaften einer gedruckten Elektrode untersucht, indem der Glyzerinanteil im Schlicker variiert wurde. Die hierbei untersuchten Elektroden wurden in Halbzellen verbaut und wiesen eine spezifische Kapazität von Si von über 3000 mAh/g auf, was nahe an der theoretischen spez. Kapazität liegt (3579 mAh/g). Es konnte kein linearer Zusammenhang zwischen Kapazität und Kapazitätsrückerhalt und dem Glyceringehalt gefunden werden. Bei der Betrachtung der Kapazität und des Kapazitätsrückerhalt wies die Zelle mit der Elektrode, die mit 100 Ma.% Glycerin im Schlicker hergestellt wurde, die besten Ergebnisse auf. Zusätzlich wurde eine Variation des Leitadditivs durchgeführt. Hier wurde die Optimierung der Elektrode mit Leitgraphit als Leitadditiv aufgezeigt sowie die Möglichkeit der Erhöhung des Feststoffanteils demonstriert. Mit dem entwickelten Schlicker wurde durch subtraktive und additive Laserfertigung eine neue Elektrodenarchitektur mit räumlich getrennten siliziumhaltigen und nichtsiliziumhaltigen Bereichen hergestellt. Anhand von post-mortem Analysen wurde herausgefunden, dass sich der siliziumhaltige Bereich der Elektrode deutlich ausdehnt und den nicht siliziumhaltigen Bereich (Graphit) verdrängt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Laser-induced forward transfer as a versatile tool for developing silicon-based anode materials. Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVI, 21. SPIE.
Rist, Ulrich; Reif, Alexandra & Pfleging, Wilhelm
-
3D printing of anode architectures for customized lithium-ion batteries. Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVII, 28. SPIE.
Rist, Ulrich; Ball, Fabian & Pfleging, Wilhelm
-
Electrochemical Properties of Laser-Printed Multilayer Anodes for Lithium-Ion Batteries. Nanomaterials, 13(17), 2411.
Rist, Ulrich; Falkowski, Viktoria & Pfleging, Wilhelm
-
Extending the 3D-battery concept: large areal ultrashort pulsed laser structuring of multilayered electrode coatings. Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVII, 29. SPIE.
Sterzl, Yannic & Pfleging, Wilhelm
-
An electrode design study: laser structuring of anodes for fast-charging of batteries. Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVIII, 38. SPIE.
Sterzl, Yannic & Pfleging, Wilhelm
-
Laser-induced forward transfer (LIFT) process for flexible construction of advanced 3D silicon anode designs in high-energy lithium-ion batteries. Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVIII, 30. SPIE.
Rist, Ulrich; Sterzl, Yannic & Pfleging, Wilhelm
-
Laser-Induced Forward Transfer – Current Approaches and Perspectives for 4D Printing of Batteries. 2024 IEEE International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO), 320-325. IEEE.
Rist, Ulrich & Pfleging, Wilhelm
-
Optimizing Structural Patterns for 3D Electrodes in Lithium-Ion Batteries for Enhanced Fast-Charging Capability and Reduced Lithium Plating. Batteries, 10(5), 160.
Sterzl, Yannic & Pfleging, Wilhelm
-
Laser Printing of Silicon-Containing Anodes with Polyacrylic Acid. Batteries, 11(5), 191.
Rist, Ulrich & Pfleging, Wilhelm
-
Laser printing of silicon-containing multilayer anodes with optimized electrode inks. Laser-based Micro- and Nanoprocessing XIX, 41. SPIE.
Rist, Ulrich & Pfleging, Wilhelm
