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Kalandrieren

Die Fertigung von Batterieelektroden umfasst als finalen Schritt die Verdichtung der Elektroden in einem Kalander. Dieser Schritt hat wesentlichen Einfluss auf die Performance der Elektroden, wobei Leistungs- und Lebensdauereigenschaften durch die Veränderungen der Feststoff-/Elektrolytgrenzflächen und den verknüpften Ionen- und Elektronentransporteigenschaften stark beeinflusst werden. Eine ausreichende Bewertung der strukturellen und mechanischen Elektrodeneigenschaften nach der Kalandrierung und deren Auswirkungen auf der Funktionsebene in der Elektrochemie sind in der Literatur bislang nicht ausreichend beschrieben. Wesentliche die Qualität und Performance einer Elektrode beeinflussende Faktoren, sind mit folgenden Eigenschaftsänderungen infolge der Kalandrierung verbunden:

  • Interpartikuläre Kontaktierung der unterschiedlichen Partikelarten innerhalb der Elektrode und zum Stromsammler (Ausbildung elektrischer Leitfähigkeitpfade und mechanische Kontaktierung der Partikel)
  • Verschiebung und Homogenisierung der Porenradienverteilung (Definierung einer unteren Porenradiengrenze, Erhöhung der spezifischen, inneren Oberfläche und Schaffung erhöhter Elektrolyt/Aktivmaterialgrenzflächen und damit einhergehend eine Verbesserung der elektrochemischen Leistungseigenschaften)
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    Abb. 1: Porenradienverteilung einer Elektrode vor und nach Verdichtung

    Festlegung der mechanischen Eigenschaften der Kompositelektrode (Reduzierung plastischer Verformungsanteile der Elektrode führen zu einer erhöhten Zyklenstabilität und zu besseren Verarbeitungseigenschaften im Zellbau)

    Abb. 2: SEM-Querschnittaufnahmen (oben) und beispielhafte Kraft-Weg Kurven gemessen mittels Nanoindentation (unten, links)  einer nicht verdichteten und um 10 % verdichteten LiFePO4-Elektrode.

    Die beispielhaft vorgestellten Versuchsergebnisse belegen den massiven Einfluss der Kalandrierung auf die mechanischen Eigenschaften bzw. den Gefüge-/Grenzflächenstrukturen einer Elektrode. Weiterführende Analysen bestätigen den Zusammenhang mit den elektrochemischen Ionen- und Elektronentransportprozessen, die eng mit der inneren Struktur verknüpft sind.
    Eine zu starke Verdichtung führt hingegen zum Verschluss von oberflächennahen Poren und der übermäßigen Minimierung der Porosität. Konsequenz ist die Verschlechterung der Benetzungseigenschaften des Elektrolyten und zudem können Partikel in die Substrate eingepresst werden und dessen Querschnitt verjüngen bzw. irreversibel schädigen. Die Entwicklung einer optimalen Verdichtung ist für jede Rezeptur und abhängig von den vorgelagerten Prozessschritten einzigartig und entscheidend für die Leistungs- und Energiedichte sowie die Lebensdauer eines Akkumulators.


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