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Vortrag

Strukturelle und elektrochemische Charakterisierung von neuwertigen und zyklisch gealterten Elektroden-Materialien in Lithium-Ionen-Batterien mittels Synchrotron-Tomographie

Mittwoch (04.12.2019)
12:30 - 12:50 Uhr

Die Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte finden sie unter anderem Anwendung in zahlreichen portablen Geräten bzw. als stationäre Stromspeicher. Außerdem sind Lithium-Ionen-Batterien ein bedeutender Faktor im Hinblick auf die Energiewende, da sie eine Schlüsselrolle im Bereich der Elektromobilität spielen. Weil die Batterien in Elektro-und Hybridfahrzeugen typischerweise beim Erreichen von ca. 80% ihrer Kapazität ausgetauscht werden, stellt die Überprüfung des so genannten „State of Health“ einen essentiellen Aspekt des Qualitätsmanagements in Batterie-Systemen dar.


In diesem Vortrag wird gezeigt, wie 1) die Degradation der 3D Mikrostruktur von Elektroden-Materialien durch zyklische Alterung ihre elektrochemischen Eigenschaften und somit auch die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beeinflusst und 2) die Charakterisierung der Morphologie der Elektroden einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung optimierter Batterie-Elektroden-Materialien leisten kann. Hierfür wurden mittels Synchrotron-Tomographie hochauflösende 3D-Bilddaten generiert, welche mit einem neu entwickelten Trinarisierungsverfahren segmentiert worden sind. Dadurch können die Aktivpartikel, der Porenraum und eine dritte Phase bestehend aus Binder und Leitadditiven zuverlässig voneinander unterschieden werden. Diese Aufbereitung der Bilddaten wird dann noch durch eine Segmentierung der einzelnen Aktivpartikel komplettiert.


Basierend auf den segmentierten Bilddaten können zahlreiche phasen- bzw. partikelbezogene Bildkenngrößen, wie z.B. die Volumenanteile und spezifischen Oberflächen aller drei Phasen bzw. die Größenverteilung der Aktivpartikel, bestimmt werden. Durch diese strukturelle Charakterisierung der Elektroden-Materialien kann der Einfluss der zyklischen Alterung auf die Morphologie quantifiziert werden. Außerdem werden die detektieren mikrostrukturellen Änderungen mit den elektrochemischen Eigenschaften korreliert. Die so gewonnenen Informationen liefern wertvolle Beiträge bei der Entwicklung neuer Batterie-Werkstoffe mit verbesserten strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften, die für eine erfolgreiche Energiewende unabdingbar sind.

Sprecher/Referent:
Weitere Autoren/Referenten:
  • Benedikt Prifling
    Universität Ulm
  • Alexander Ridder
    Universität Stuttgart
  • Dr. André Hilger
    Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
  • Markus Osenberg
    Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
  • Dr. Ingo Manke
    Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
  • Prof. Dr. Kai-Peter Birke
    Universität Stuttgart