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Warum thermische Diffusivität mehr ist als eine Materialkennzahl
Thermische Diffusivität α beschreibt, wie schnell sich eine Temperaturstörung in einem Material ausbreitet. Über die Beziehung λ = α · ρ · cₚ ist sie direkt mit der Wärmeleitfähigkeit verknüpft und bestimmt damit in Lithium-Ionen-Zellen, ob lokal entstehende Wärme – etwa durch Nebenreaktionen, Stromdichtenester oder lokale Überladung – rasch abgeführt wird oder sich zu einem gefährlichen Hot Spot aufschaukelt. Numerische 3D-Modelle zur thermischen Laufzeit zeigen, dass selbst moderate Inhomogenitäten der thermischen Diffusivität auf Elektroden- und Separatorebene zu stark lokalisierten Temperaturspitzen führen können [Oehler et al., 2021; Cloos et al., 2024]. Für die Zellarchitektur bedeutet das: Die Verteilung der thermischen Diffusivität über Schichtdicke, Flächenrichtung und Übergänge zwischen Schichten ist mindestens so wichtig wie der absolute Wert eines einzelnen Materials.
Ein anschauliches Praxisbeispiel ist die Kombination hochleitfähiger Stromableiter mit deutlich schlechter leitenden Aktivmasseschichten. Ist die Diffusivität in der Graphitbeschichtung signifikant niedriger als im Kollektor, bildet sich bei hohen C-Raten ein ausgeprägter Temperaturgradient innerhalb der Anode aus, der lokal Lithium-Plating und Degradation begünstigt [Gandert et al., 2025]. Umgekehrt können gezielt erhöhte Diffusivität oder wärmeleitende Additive an kritischen Stellen Temperaturspitzen entschärfen – vorausgesetzt, sie sind sinnvoll in das Gesamtdesign integriert.
Graphit-Anoden: Anisotropie als Chance und Risiko
Graphit-Anoden sind thermisch anisotrop: In-Plane – entlang der Schichtebene – ist die Wärmeleitfähigkeit und damit die thermische Diffusivität deutlich höher als durch die Schichtdicke, was sich direkt auf die Ausbreitung von Hot Spots auswirkt. Messungen an kommerziellen NMC/Graphit-Zellen zeigen, dass der effektive Diffusivitätswert der Anodenbeschichtung nicht allein durch den Graphit, sondern wesentlich durch Binder, Leitruß, Porosität und Kontakt zum Kupferkollektor bestimmt wird [Cloos et al., 2024; Oehler et al., 2021]. Daraus folgt: Die mikrostrukturelle Gestaltung der Elektrodenschicht – Partikelgrößen, Füllgrad, Porennetzwerk – ist ein Hebel, um die Wärmeausbreitung gezielt zu steuern, ohne die elektrochemische Performance zwingend zu verschlechtern.
Operando-Studien belegen, dass schon milde lokale Temperaturerhöhungen in Graphitkompositen das Lithiumverhalten verändern und zu lokalem Li-Austritt aus LiₓC₆-Phasen beziehungsweise zu Underpotential-Plating führen können [Wang et al., 2022; Alujjage et al., 2025]. In Kombination mit limitierter thermischer Diffusivität entstehen selbstverstärkende Hot Spots: Erhöhte Temperatur beschleunigt Nebenreaktionen, diese erzeugen zusätzliche Wärme, die mangels schneller Diffusion lokal gefangen bleibt. Thermische Diffusivität der Anode ist damit nicht nur ein Sicherheits-, sondern auch ein Degradationsparameter, der in Schnellladestrategien und Lebensdauermodellen zwingend berücksichtigt werden muss.
Separatoren: Thermischer Engpass mit Sicherheitspotenzial
Separatoren besitzen typischerweise eine deutlich niedrigere thermische Diffusivität als Elektroden und Stromableiter und stellen daher häufig den thermischen Engpass im Zellquerschnitt dar. Dadurch können sie Temperaturunterschiede zwischen den Elektrodenseiten verstärken; gleichzeitig wirken moderne Separatorkonzepte bewusst als „thermische Sicherung“, etwa durch gezielte Porenschließung bei definierten Temperaturen. Aktuelle Arbeiten zu sogenannten smart thermal shutdown separators zeigen, dass die Kombination aus niedriger Basisdiffusivität und gezielt erhöhter Wärmeleitfähigkeit durch keramische Füllstoffe – beispielsweise Bornitrid (BN) – lokale Hot Spots abmildern kann, während im Normalbetrieb die elektrochemische Funktion erhalten bleibt [Li et al., 2025; Liu et al., 2021].
Entscheidend ist dabei, Separatoren nicht isoliert zu betrachten, sondern im Verbund mit Anode, Kathode und Elektrolyt. Studien weisen darauf hin, dass das Zusammenspiel aus Separator-Diffusivität, Elektroden-Diffusivität und Kontaktwiderständen über die Hot-Spot-Position entscheidet – etwa ob sich kritische Zonen eher im Elektrodenvolumen oder in der Nähe des Separators ausbilden [Gandert et al., 2025]. Ebenso beeinflusst die Oberflächenemissivität der Separator- und Elektrodenoberflächen die Sensitivität bildgebender Detektionsmethoden wie Lock-in- oder IR-Thermografie unmittelbar.
Hot-Spot-Erkennung: Operando-Metrologie trifft Materialcharakterisierung
Für eine belastbare Hot-Spot-Analyse genügt es nicht, lediglich die Außentemperatur einer Zylinder- oder Pouch-Zelle zu messen. Entscheidend sind räumlich aufgelöste Temperaturinformationen und verlässliche Materialdaten. Operando-IR-Thermografie in Kombination mit physikbasierten Modellen erlaubt es, interne Temperaturfelder abzuleiten und Hot Spots zu quantifizieren – sofern die thermische Diffusivität der einzelnen Zellkomponenten bekannt ist [Wang et al., 2022]. Neue thermal wave-Sensoren nutzen gezielt die frequenzabhängige Wärmediffusion, um aus der Antwort auf modulierte Wärmeanregung Rückschlüsse auf Degradationszustände und lokale Veränderungen der thermischen Eigenschaften zu ziehen.
Eine aktuelle Studie zur internen Temperaturevolution in Li-Ionen-Zellen zeigt, dass die Diskrepanz zwischen interner und externer Temperaturmessung unter Betriebsbedingungen erheblich sein kann und sich Hot Spots sowie Lithium-Plating an Graphitanoden so erst vollständig quantifizieren lassen [Alujjage et al., 2025]. Dabei liefert nicht nur das absolute Temperaturniveau, sondern auch die zeitliche Entwicklung bei bekannter thermischer Diffusivität wertvolle Informationen über lokale Defekte, Inhomogenitäten oder Alterungszonen. Die Kopplung von Operando-Messmethoden mit experimentell bestimmten Diffusivitäten ist damit ein wirkungsvolles Werkzeug, um bereits in der Material- und Zellkonzeptphase Schwachstellen der Zellarchitektur aufzudecken.
Zellformat und thermische Diffusivität: Rundzelle, Pouch und Prismatik im Vergleich
Die thermische Diffusivität wirkt sich je nach Zellformat grundlegend unterschiedlich aus – mit direkten Konsequenzen für die Auslegung des Thermomanagementsystems und die Hot-Spot-Anfälligkeit.
In Rundzellen (18650, 21700) dominiert eine ausgeprägte Anisotropie zwischen axialer und radialer Richtung. Anisotrope Wärmeleitfähigkeiten von 0,20 W·m⁻¹·°C⁻¹ in radialer und bis zu 30,4 W·m⁻¹·°C⁻¹ in axialer Richtung wurden für 18650-Rundzellen gemessen. Wärme, die im Zellkern entsteht, wird daher bevorzugt axial abgeleitet, während der radiale Transport – in Richtung der Zelloberfläche und des Kühlsystems – stark gehemmt ist. Bei hohen C-Raten entstehen so erhebliche Temperaturgradienten zwischen Kern und Mantel, die mit reiner Außentemperaturmessung nicht erfasst werden [Gandert et al., 2025].
Pouch-Zellen zeigen eine komplementäre Charakteristik: Pouch-Zellen besitzen aufgrund ihrer großen Oberfläche und flachen Bauform eine inhärent gute In-Plane-Wärmeableitung. Da die Wärmeabfuhr in Through-Plane-Richtung jedoch weniger homogen ist, können Temperaturgradienten und Hot Spots entstehen – besonders ausgeprägt beim Schnellladen. Für die thermische Charakterisierung von Pouch-Zellen sind daher Methoden erforderlich, die beide Richtungen erfassen – die Laser-Flash-Analyse an repräsentativen Schichtstapeln liefert dabei die zuverlässigsten Eingabedaten für Simulationsmodelle [Lin et al., 2022; Cloos et al., 2024].
Prismatische Zellen kombinieren Elemente beider Geometrien. In prismatischen und Pouch-Zellen wird die thermische Leitfähigkeit entlang Länge, Höhe und Schichtdicke zerlegt, während bei zylindrischen Geometrien eine Zerlegung in Radial- und Axialrichtung angemessener ist. Auch hier stellt die Through-Plane-Diffusivität – senkrecht zu den Elektrodenschichten – den dominierenden thermischen Engpass dar [Oehler et al., 2021].
Für die Messtechnik ergibt sich daraus eine klare Forderung: Eine einzelne skalare Diffusivitätsmessung ist für keines dieser Formate ausreichend. Erst die vollständige anisotrope Charakterisierung an realitätsnahen Schichtsystemen über den relevanten Temperaturbereich liefert die Eingabeparameter für belastbare thermische Simulationen und Hot-Spot-Prognosen [Gandert et al., 2025; Cloos et al., 2024].
Messtechnik: Flash-Analyse als Basis für realistische Materialparameter
Für den Einsatz in F&E und Qualitätssicherung ist eine robuste Methodik zur Messung der thermischen Diffusivität von Graphitanoden, Separatoren und Verbundstrukturen unverzichtbar. Ein etablierter Ansatz ist die Laser-Flash-Analyse (LFA): Ein kurzer Energiepuls erwärmt eine Probenoberfläche, und der zeitliche Temperaturanstieg auf der gegenüberliegenden Seite wird mittels IR-Detektor erfasst, woraus sich die thermische Diffusivität berechnen lässt [Balaji et al., 2024]. Aus der Kombination mit Dichte und spezifischer Wärmekapazität ergibt sich anschließend die Wärmeleitfähigkeit – der zentrale Eingabeparameter für thermische Simulationsmodelle.
Für batterierelevante Materialien ist es dabei wichtig, nicht nur Bulk-Proben, sondern realitätsnahe Konfigurationen zu untersuchen: Graphitbeschichtungen auf Kupfer, Separatorfolien oder zusammengesetzte Elektrodenstapel. Studien zeigen, dass die effektive thermische Diffusivität eines Elektrodenverbunds signifikant vom Idealwert reinen Graphits abweicht – insbesondere durch die Grenzfläche zur Cu-Folie und die Verteilung polymerer und leitfähiger Additive [Cloos et al., 2024; Gandert et al., 2025].
Strategische Konsequenzen für die Batterieentwicklung
Für Entwickler von Zellarchitekturen ergibt sich ein klares Handlungsbild: Thermische Diffusivität sollte früh in der Materialauswahl berücksichtigt werden – insbesondere bei Graphit-Anodenformulierungen und Separatorkonzepten. Anisotropien lassen sich gezielt nutzen, etwa durch hohe In-Plane-Diffusivität zur lateralen Wärmeabfuhr; gleichzeitig müssen Gradienten durch die Schichtdicke durch Messung und Modellierung abgesichert werden [Oehler et al., 2021]. Material- und Zellmodelle sollten systematisch mit experimentell bestimmten Diffusivitätswerten gespeist werden, um realistische Temperaturfelder und thermal runaway-Szenarien abzuleiten. Operando-Methoden – IR-Thermografie, thermische Wellen, interne Sensorik – entfalten ihr volles Potenzial erst in Kombination mit exakten thermophysikalischen Daten: Hot Spots werden damit nicht nur qualitativ sichtbar, sondern quantitativ bewertbar [Alujjage et al., 2025].
Thermische Diffusivität wandelt sich so von einer oft vernachlässigten Materialkennzahl zu einem strategischen Entwicklungsparameter, mit dem sich Sicherheitsmargen erhöhen, Schnellladefenster erweitern und Degradationsmechanismen in Graphitanoden und Separatoren frühzeitig entschärfen lassen.
Bibliographie
[Alujjage et al., 2025] Alujjage, N. et al.: Internal Temperature Evolution Metrology and Analytics in Li‐Ion Cells. Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202417273 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417273
[Balaji et al., 2024] Balaji, C. et al.: Thermal Transport and Thermal Diffusivity by Laser Flash Technique: A Review. International Journal of Thermophysics, 2024. DOI: 10.1007/s10765-024-03479-0 https://www.researchgate.net/publication/387526329_Thermal_Transport_and_Thermal_Diffusivity_by_Laser_Flash_Technique_A_Review
[Cloos et al., 2024] Cloos, L.; Herberger, S.; Queisser, O. et al.: Thermal Material Properties of Commercial NMC532 / Graphite Lithium-Ion Battery Cell. Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2024. DOI: 10.35097/kAlrZQzUaHBxWkIj https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000171382
[Gandert et al., 2025] Gandert, J. C.; Müller, M.; Paarmann, S.; Queisser, O.; Wetzel, T.: Challenges of the Measurement of the Effective Thermal Conductivity of Battery Electrodes with Laser Flash Analysis and Guarded Hot Plate Method. Energy Technology, 2025. DOI: 10.1002/ente.202501125 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ente.202501125
[Li et al., 2025] Li, Y. et al.: Smart thermal-shutdown separators with fast response for safe Li-metal batteries. ScienceDirect / Journal of Power Sources, 2025. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3050914925000962
[Lin et al., 2022] Lin, J.; Chu, H. N.; Monroe, C. W.; Howey, D. A.: Anisotropic Thermal Characterisation of Large-Format Lithium-Ion Pouch Cells. Batteries & Supercaps, 5, e202100401, 2022. DOI: 10.1002/batt.202100401 https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202100401
[Liu et al., 2021] Liu, W. et al.: Safer Lithium‐Ion Batteries from the Separator Aspect: Development and Future Perspectives. Energy & Environmental Materials, 2021. DOI: 10.1002/eem2.12129 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eem2.12129
[Oehler et al., 2021] Oehler, D.; Seegert, P.; Wetzel, T.: Investigation of the Effective Thermal Conductivity of Cell Stacks of Li‐Ion Batteries. Energy Technology, 2021. DOI: 10.1002/ente.202000722 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ente.202000722
[Wang et al., 2022] Wang, W. et al.: In-situ thermography revealing the evolution of internal short circuit of lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2022. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231602 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S037877532200605X
