Batterie-Applikationen in der thermischen Analyse und Wärmeleitfähigkeit

Batterietests prüfen die Leistung, Kapazität und Haltbarkeit von Batterien, um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen der vorgesehenen Anwendungen erfüllen. Tests wie Lade- und Entladetests, Lebenszyklustests und Temperaturtests sind wichtig, um die Leistung von Batterien zu bewerten.

Batterietests sind auch erforderlich, um sicherzustellen, dass Batterien die erwartete Leistung erbringen, und aus Sicherheitsgründen.

Linseis bietet eine breite Palette von Laborinstrumenten für die Batterieprüfung an, darunter Kalorimeter, Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte, Dilatometer, thermomechanische Analysatoren, Thermowaagen und andere thermophysikalische Instrumente.

In dieser Anwendungsübersicht stellen wir Ihnen Messungen mit den verschiedenen Geräten aus den Bereichen der klassischen Thermischen Analyse und der Wärmeleitfähigkeit vor.

Batteriekalorimeter

Ein Batteriekalorimeter ist ein Gerät zur Messung der Wärme, die von einer Batterie während des Ladens und Entladens erzeugt wird. Diese Messung wird als „Reaktionswärme“ bezeichnet und ist ein wichtiger Indikator für die Leistungsfähigkeit einer Batterie. Die Reaktionswärme ist die Differenz zwischen der Enthalpie (Wärmeinhalt) der Edukte und der Produkte einer chemischen Reaktion.

Batteriekalorimeter werden in der Forschung und Entwicklung eingesetzt, um neue Batteriechemien zu bewerten und das Design bestehender Batterien zu optimieren. Sie werden auch im Herstellungsprozess eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Batterien den Leistungs- und Sicherheitsstandards entsprechen.

Für die thermische Überwachung von Batterien bietet Linseis ein modulares Kalorimeter an. Es besteht aus einer variablen Anzahl nahezu identischer Komponenten und ermöglicht die Untersuchung unterschiedlichster Batteriezellgrößen (siehe Abbildung). Die Module sind in ihrer Geometrie leicht skalierbar. Unterschiedliche Größen werden abgedeckt, ohne dass ein neues Gerät angeschafft werden muss. Das Batteriekalorimeter kann kostengünstig in bestehende Anlagen integriert werden. Nahezu alle Batteriegrößen können getestet werden.

Ein typisches Wärmestrommuster einer Lithium-Sekundärbatterie (C//LiCoO₂-Pouch-Zelle) während des Entladens und Ladens ist in Abb. 2 dargestellt.

Spannung und Wärmefluss beim Entladen und Laden einer kommerziellen 5 Ah Pouch-Zelle bei ±1 A; (n(Li) ≈ 0,2 mol)

Diese Informationen können zur Auslegung und Optimierung des Wärmemanagementsystems verwendet werden.

Der Wärmestrom aufgrund der Joule’schen Erwärmung und der Wärmestrom aufgrund der Reaktionswärme haben beim Be- und Entladen ein unterschiedliches Vorzeichen (negatives und positives Vorzeichen). Das Muster des Wärmeflusses als Funktion der Zellenladung korreliert gut mit den Phasenübergängen innerhalb der Kohlenstoffanode und der LiCoO₂-Kathode (siehe Abb. 3).

Reaktionswärme für eine 1,3 Ah C//LiCoO2-Pouch-Zelle bei I = 0,1 Cnom

Die Auswirkungen von Temperatur, Lade- und Entladestrom, Elektroden- und Elektrolytzusammensetzung, Alter usw. können leicht aus den Wärmeflusskurven abgelesen und zur Verbesserung der Zellenleistung genutzt werden. Abb. 4 zeigt ein Messbeispiel für eine schlechte, billige Li-Ionen-Batterie.

Alterung einer Li-Ionen-Batterie während des Zyklus bei I = +/-1 Cnom. Die Gesamtzahl der Zyklen beträgt etwa 60.

Dynamisches Differenzkalorimeter (DSC)

DSC-Messungen werden hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung von Batteriechemikalien eingesetzt.

Jede Batteriechemie hat ihre eigenen spezifischen Merkmale und Eigenschaften und ist für unterschiedliche Anwendungen konzipiert. Die Wahl der Batteriechemie hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung wie Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Kosten ab.

Abb. 5 zeigt eine DSC-Messkurve eines keramischen Festelektrolyten, der in Festkörperbatterien eingesetzt wird und sicherere Hochenergiebatterien ermöglicht. Eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung ist erforderlich, um Elektrolyt, Elektroden und andere Komponenten wie Stromabnehmer miteinander zu verbinden.

Thermogravimetrisches Analysegerät (TGA)

Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ist ein Verfahren zur Messung der Gewichtsänderung eines Materials in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit. Die TGA ist ein wertvolles Instrument bei Batterietests und kann zur Bestimmung der thermischen Stabilität und anderer Eigenschaften des Batteriematerials verwendet werden.

Abb. 6 zeigt beispielhaft eine TGA-Messung an verschiedenen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien.

Die Elektrode muss bei hohen Temperaturen stabil sein. Die solide Messkurve zeigt ein gutes Elektrodenmaterial, das bis ca. 800 °C keine Gewichtsänderung zeigt. Bei höheren Temperaturen zersetzt sich das Material.

Die obere gestrichelte Kurve zeigt die Massenzunahme durch Oxidation. Korrodierte Elektroden verlieren schnell an Leistung.

Das dritte Elektrodenmaterial verliert auch bei niedrigen Temperaturen an Masse. Dieses Material ist daher nicht geeignet für Hochleistungsbatterien, die beim Laden und Entladen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Zusätzlich zu diesen thermischen Stabilitätstests können die TGA-Ergebnisse helfen, die Zusammensetzung der Batteriematerialien zu bestimmen.

Simultane TG-DSC/DTA (STA)

Die oben beschriebenen DSC- und TGA-Messungen können auch gleichzeitig mit den Linseis STA-Geräten durchgeführt werden.

Mit der simultanen TG-DSC können sowohl die Gewichtsänderung als auch die Wärmeentwicklung eines Materials in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen werden.

Die Kombination von TGA- und DSC-Messungen kann mehr Informationen liefern als eine der beiden Techniken allein und ein tieferes Verständnis des thermischen Verhaltens von Batterien ermöglichen.

Das Sicherheitsrisiko der verschiedenen Anoden- und Kathodenmaterialien wurde mit Hilfe eines simultanen TG-DSC-Systems in Verbindung mit einer Gasanalyse im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600 °C bewertet (Abb. 7). Die Zersetzungsprozesse können überwacht werden und zeigen, wie stabil die Materialien sind und wie viel Energie beim thermischen Durchgang freigesetzt werden kann.

TG-DSC-Messungen an einer Li-Ionen-Batteriekathode und einem Anodenmaterial von Raumtemperatur bis 600 °C; die verdampften Gase wurden mit einem gekoppelten FT-IR analysiert.

Erhitzungsmikroskop

Die Erhitzungsmikroskopie kann für Batterietests verwendet werden, da sie es den Forschern ermöglicht, die Reaktionen zu beobachten, die für die Leistung der Batterie verantwortlich sind. Durch die thermische Behandlung einer Probe, die den Betrieb der Batterie simuliert, können die Reaktionen und die Leistung der Batterie in Echtzeit überwacht werden.

Abb. 8 zeigt die Zersetzung eines Kathodenmaterials, das in einer Li-Ionen-Batterie verwendet wird. Das Material wurde in einem Linseis-Erhitzungsmikroskop erhitzt. Während der Messungen können Einzelbilder oder Videos aufgenommen werden.

Erhitzungsmikroskopische Aufnahmen eines Li-Ionen-Batterie-Kathodenmaterials während der Erhitzung auf 1500 °C

Thermische Eigenschaften von Batterien

Die thermischen Eigenschaften von Batterien wirken sich auf ihre Leistung und Sicherheit aus. Linseis bietet eine breite Palette von Geräten zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit und des Wärmewiderstands von Schüttgütern und dünnen Schichten an.

Laser Flash (LFA)

Mit den Laser-Flash-Instrumenten (LFA) von Linseis können Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich (-180 bis 2800 °C) gemessen werden. Die Technologie kann an allen Materialien und mit der periodischen Lasererwärmung (PLH) auch an dünnen Schichten im unteren Mikrometerbereich eingesetzt werden.

Abb. 9 zeigt beispielsweise eine Messung, bei der die LFA-Batterietests an einem Na-Ionen-Kathodenmaterial durchgeführt wurden. Die Temperaturleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit erreichen bei ca. 90 °C ein Maximum und nehmen dann relativ stark ab.

Diese Daten können verwendet werden, um das Wärmemanagement der Batterie oder der Endanwendung zu verbessern.

Laser-Flash-Messung eines Natrium-Ionen-Kathodenmaterials

Dilatometrie und Thermomechanische Analyse (TMA)

Für die Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Batteriematerialien sind Dilatometer oder Thermomechanische Analysegeräte (TMA) von Linseis sehr gut geeignet.

Das Schubstangendilatometer an einem Na-Ionen-Kathodenmaterial in Abb. 10 zeigt die Längenänderung, aus der auch die Dichteänderung mit der Temperatur berechnet werden kann. Die Dichte nimmt durch Wasserverdunstung bis 150 °C zu. Nach der Verdunstung des Wassers ist die Dichte mehr oder weniger konstant. Über 300 °C dehnt sich die Probe jedoch aus, was auf eine Abnahme der Dichte hinweist.

Dimensionsänderung eines Na-Ionen-Kathodenmaterials, gemessen mit einem Schubstangendilatometer

Die gemessenen Dichten können für Laser-Flash-Messungen verwendet werden, um zusammen mit der gemessenen Temperaturleitfähigkeit die Wärmeleitfähigkeit zu berechnen. Die ebenfalls erforderliche spezifische Wärmekapazität kann mittels DSC gemessen werden.

Die TMA ist eine Erweiterung des Dilatometers. Als zusätzliche Prüfung kann sie den Elastizitätsmodul der Probe sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung dynamisch und statisch messen.

Dünnschichtanalyse

Linseis bietet Instrumente zur Messung dünner Schichten im Bereich von wenigen Nanometern bis hin zu Mikrometern an. Dünnschichtbatterien bestehen aus festen Elektroden und einem festen Elektrolyten, beide mit einer Dicke von einigen hundert Nanometern.

Dünnschichtbatterien sind wesentlich kleiner als herkömmliche Feststoffbatterien. Sie können zum Bau kleinerer elektronischer Geräte verwendet werden. Sie haben oft eine höhere Energiedichte und längere Lebenszyklen.

Zu den Dünnschicht-Analysegeräten von Linseis gehören Dünnschicht-Laser-Flash-Geräte zur Messung der thermischen Eigenschaften und der einzigartige Dünnschicht-Analysegeräte zur Messung der thermoelektrischen Eigenschaften von Dünnschichten.