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Zellbau und Elektrochemie

Innerhalb der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien stehen der Zellbau mit den zuvor hergestellten Elektroden und die elektrochemische Charakterisierung am Ende der Prozesskette. Dies bedeutet, dass die Summe aller einzelner, vorgelagerter Prozessschritten einen Einfluss auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit einer Elektrode in einer Batteriezelle ergibt. Die Performance kann in Halbzellen (Arbeitselektrode und Lithium) oder Vollzellen (Kathode und Anode) analysiert werden, wobei in Vollzellen die Summe der Einflüsse beider Elektroden – Kathode und Anode – betrachtet werden.
Daher wird in der Regel eine Elektrode zuerst in Halbzellen charakterisiert, daraufhin werden die Prozessschritte optimiert, bevor die verbesserten Elektroden in Vollzellen verbaut werden.
Die elektrochemische Charakterisierung umfasst hauptsächlich Belastungstests beim Laden und Entladen der Zellen. Diese Testzyklen zeigen, wie gut und wie viel elektrische Ladung in Abhängigkeit von der Höhe des fließenden Stroms in der Batterie gespeichert und wieder entnommen werden können. Dabei limitiert die langsame Lithiumdiffusion bei hohen Stromdichten die Inter- und Dekalationsprozesse von Lithium in die Aktivmaterialien. Gleichzeitig muss eine hohe elektrische Leitfähigkeit gegeben sein. Diese limitierenden Faktoren gilt es zu identifizieren und mit geeigneten Methoden innerhalb der Prozesskette zu minimieren.

Abb. 1: Kapazitätsverlauf verschiedener Kathodenelektroden in Abhängigkeit von der Entlade-Stromstärke, Langzeit-Kapazitätsverlauf von Kathoden bei erhöhter Temperatur und verschiedenen Stromstärken

Am iPat stehen 3 verschiedene Zelltypen zur Charakterisierung zur Verfügung: Swagelok®-Zellen, Pouch-Zellen und Knopfzellen.

Abb. 2: Swagelok®-Zelle, Pouch-Zelle, Knopfzelle


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