Das Potenzial der Batterieanalytik entfesseln – Batterie-Applikationen

Maximierung der Effizienz und Sicherheit von Batterien

Batterien spielen in einer Welt, die zunehmend von Energieabhängigkeit geprägt ist, eine entscheidende Rolle für eine nachhaltige Zukunft. Unsere präzisen Analyseinstrumente sind darauf ausgerichtet, die Effizienz und Sicherheit von Batterien zu verbessern und zugleich ihre Nutzungsdauer zu verlängern.

Die fortschrittlichen Technologien zielen darauf ab, die Grenzen des Möglichen in der Batterieanalytik zu erweitern und gleichzeitig zu einer umweltfreundlicheren Welt beizutragen. Es gilt zu erforschen, wie Batterien eine höhere Leistung erbringen, länger halten und sicherer werden können.

Technologische Fortschritte und Vorteile anhand der Entwicklung von Auto- und Handybatterien

Einführung in die Zellchemie von Batterien

Die Zellchemie bildet das fundamentale Prinzip hinter der Funktionsweise und den Leistungseigenschaften von Batterien. Sie umfasst ein komplexes Zusammenspiel elektrochemischer Prozesse und Materialwissenschaften, welche die Grundlage für die Energiespeicherung und -abgabe bilden.

In diesem Zusammenspiel agieren die Hauptkomponenten einer Batterie – Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator – in einer fein abgestimmten Weise, um elektrische Energie zu speichern und effizient wieder freizusetzen.

Die Kathode und Anode, die elektrochemischen Gegenspieler in einer Batteriezelle, bestimmen durch ihre materialabhängigen Redox-Eigenschaften wesentliche Parameter wie Zellspannung, Energiekapazität und Zyklenstabilität.

Materialien für die Kathode, wie Lithium-Cobalt-Oxide oder Lithium-Eisenphosphat, und Anodenmaterialien, darunter Graphit und Silizium-basierte Komposite, sind Gegenstand intensiver Forschung, um optimale Eigenschaften in Bezug auf Energieeffizienz und -dichte zu erreichen.

Der Elektrolyt, ein essenzieller Bestandteil für den Ionentransfer zwischen Kathode und Anode, beeinflusst maßgeblich die Ionendynamik und damit die Gesamtleistung der Batterie.

Die Entwicklung innovativer Elektrolyte, die einen effizienten Ionentransfer gewährleisten und gleichzeitig die thermische und chemische Stabilität der Batterie erhöhen, ist ein zentrales Forschungsfeld.

Dies umfasst die Untersuchung sowohl flüssiger als auch fester Elektrolytformulierungen. Der Separator, eine mikroporöse Schicht, die Kathode und Anode räumlich trennt, ist entscheidend für die Vermeidung interner Kurzschlüsse.

Seine Permeabilität und mechanische Integrität sind ausschlaggebend für die Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie. Ein fortschrittliches Separator-Design trägt zur Verbesserung der Ionendiffusion bei und minimiert das Risiko einer thermischen Destabilisierung.

Neueste Forschungsansätze in der Batterietechnologie, wie die Entwicklung von Solid-State-Elektrolyten und Lithium-Schwefel-Batterien, zielen darauf ab, die Grenzen konventioneller Lithium-Ionen-Technologien zu überschreiten.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, bestehen Solid-State-Elektrolyte aus einem festen Material, das dennoch Ionen leiten kann.

Diese Festkörperelektrolyte eliminieren viele der Nachteile flüssiger Elektrolyte, wie z.B. das Risiko von Leckagen oder Entflammbarkeit.

Die Vorteile von Solid-State-Elektrolyten umfassen:

1. Erhöhte Energiedichte: Durch die Verwendung von Festkörperelektrolyten kann die Batterie mehr Energie auf einer kleineren Fläche speichern, was zu einer höheren Energiedichte führt.

2. Verbesserte Sicherheit: Solid-State-Elektrolyte sind typischerweise nicht brennbar und verringern somit das Risiko von Batteriebränden und thermischem Durchgehen (Thermal Runaway).

3. Längere Lebensdauer: Festkörperelektrolyte neigen weniger dazu, sich im Laufe der Zeit abzubauen, was zu einer längeren Lebensdauer der Batterie führt.

4. Schnellere Ladezeiten: Einige Solid-State-Elektrolyte ermöglichen eine schnellere Ionenbewegung, was zu kürzeren Ladezeiten der Batterien führen kann.

Solid-State-Elektrolyte befinden sich derzeit noch größtenteils in der Forschungs- und Entwicklungsphase, zeigen jedoch das Potenzial, die Leistung und Sicherheit von Batterien deutlich zu verbessern und die Grenzen der aktuellen Lithium-Ionen-Technologien zu erweitern.

Zusammenfassend ist die Zellchemie ein zentraler Bestandteil für die Entwicklung fortschrittlicher Batterietechnologien. Die kontinuierliche Erforschung und Optimierung elektrochemischer Prozesse und Materialinteraktionen innerhalb der Batteriezelle ist entscheidend für die Realisierung leistungsfähigerer, sichererer und nachhaltigerer Energiespeicherlösungen.

Einführung in die Zellchemie von Batterien

Die Leistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sind maßgeblich von der Qualität und den Eigenschaften ihrer Materialkomponenten abhängig. Eine präzise Charakterisierung dieser Komponenten ist daher entscheidend, um Batterien effizienter, langlebiger und sicherer zu machen.

In diesem Optimierungsprozess spielen hochentwickelte Messgeräte eine Schlüsselrolle. Die Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt können mithilfe des breiten LINSEIS Produktportfolios und Geräten wie der DSC, dem Kalorimeter oder einer Kopplung mit einem Massenspektrometer genau untersucht werden, um ausführliche Informationen über die ablaufenden Vorgänge während des Ladens und Entladens von Speichermaterialen zu gewinnen.

Dieses detaillierte Verständnis ermöglicht eine gezielte Optimierung dieser Komponenten, wodurch die Effizienz, Lebensdauer und Sicherheit von Batterien signifikant gesteigert werden können.

Kathode: In Batterien übernimmt die Kathode eine zentrale Rolle, da sie direkt die Energiekapazität und damit die Leistungsfähigkeit der Batterie bestimmt. Sie ist der positive Pol der Batterie und ist der Ort, an dem während des Entladeprozesses Ionen aufge-nommen werden, was zur Freisetzung von Energie führt.

• Materialzusammensetzung: Moderne Kathoden bestehen aus verschiedenen Verbindungen wie Lithium-Cobalt-Oxid(LiCoO₂), Lithium-Eisenphosphat (LiFe-PO₄), Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) und anderen.

• Kristallstruktur: Die Kristallstruktur des Kathodenmaterials spielt eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit der Batterie. Sie beeinflusst die Beweglichkeit der Ionen innerhalb des Materials und damit die Geschwindigkeit der Ladung und Entladung.

• Elektrochemische Stabilität: Die elektrochemische Stabilität der Kathode ist entscheidend für die Lebensdauer der Batterie. Materialien, die eine hohe elektrochemische Stabilität aufweisen, neigen weniger zu kapazitätsmindernden Reaktionen während des Lade-/Entladezyklus.

• Oberflächenchemie: Die Oberflächenchemie des Kathodenmaterials kann die Interaktion mit dem Elektrolyt beeinflussen und damit die Leistung und Stabilität der Batterie beeinträchtigen. Die Optimierung der Oberflächenchemie kann zur Verbesserung der Energiedichte und Zyklenfestigkeit beitragen.

• Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit der Kathode in Batte-rien ist entscheidend für das Thermal Management, um Überhitzung und mögliche Sicher-heitsrisiken zu verhindern. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht die effiziente Ableitung der während des Betriebs erzeugten Wärme, wodurch die Temperatur stabil gehalten wird und ein unkontrollierter Temperaturanstieg, wie ein Thermal Runaway, vermieden wird. Daher ist die Auswahl von Kathodenmaterialien und -strukturen mit guter Wärmeleitfähigkeit entscheidend für die Leistung und Sicherheit von Batteriesystemen.

Beispiel – TGA-Analyse von Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) zur Charakterisierung der Kathode:

Ein prägnantes Beispiel für den Einsatz der TGA ist die Untersuchung von Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄), einem weit verbreiteten Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien.

LiFePO₄ ist bekannt für seine hohe thermische Stabilität und Sicherheit. Bei der TGA-Analyse wird eine Probe von LiFePO4 kontrolliert erhitzt, um die thermische Stabilität und Zusammensetzung zu bewerten.

Während des Aufheizprozesses werden Gewichtsveränderungen der Probe präzise gemessen, um Informationen über thermische Zersetzungsprozesse zu erhalten. Diese Daten sind entscheidend für das Verständnis der thermischen Eigenschaften des Materials, was für Anwendungen in Bereichen wie Elektromobilität oder stationäre Energiespeicherung von großer Bedeutung ist.

Die TGA-Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in die Stabilität des Kathodenmaterials unter Betriebsbedingungen. Beispielsweise können durch die Analyse der Zersetzungstemperaturen von LiFePO₄ Rückschlüsse auf die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie unter verschiedenen Betriebsbedingungen gezogen werden.

Dies ermöglicht eine gezielte Optimierung der Materialzusammensetzung und des Zelldesigns, um die Gesamtleistung und Sicherheit der Batterie zu verbessern. Die präzise Charakterisierung der Kathodenmaterialien mittels Thermogravimetrischer Analyse ist somit ein unverzichtbarer Schritt, um die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu steigern. Solche Analysen tragen erheblich zur Weiterentwicklung und Optimierung dieser Schlüsseltechnologie bei.

Anode: In Batterien fungiert die Anode als negativer Pol und ist maßgeblich für die Ladegeschwindigkeit und die Kapazität der Batterie verantwortlich. Während des Ladevorgangs werden Ionen aus der Kathode in die Anode eingelagert, wobei die Anode eine Schlüsselrolle in der Speicherung und Freigabe dieser Ionen spielt.

• Materialauswahl: Traditionell wird Graphit aufgrund seiner Fähigkeit, Ionen effizient einzulagern, als Anodenmaterial verwendet. Neuere Forschungen erkunden jedoch alternative Materialien wie Silizium, Lithium-Titanat und verschiedene Kohlenstoffnanomaterialien, die eine höhere Kapazität und schnellere Ladegeschwindigkeiten bieten können.

• Oberflächenstruktur und Porosität: Die Mikrostruktur und Porosität der Anodenmaterialien sind entscheidend für die Speicherung von Ionen. Eine optimierte Struktur ermöglicht eine effiziente Ionenbeweglichkeit und trägt zu einer höheren Ladekapazität bei.

• Elektrochemische Stabilität: Die Stabilität der Anodenmaterialien während der Lade-/Entladezyklen ist essentiell für die Lebensdauer der Batterie. Materialien, die gegenüber elektrochemischer Degradation resistent sind, verbessern die Zyklenfestigkeit der Batterie.

• Interaktion mit dem Elektrolyt: Die chemische Wechselwirkung zwischen Anodenmaterial und Elektrolyt beeinflusst die Leistung der Batterie. Eine optimale Kompatibilität verringert unerwünschte Nebenreaktionen, die zur Kapazitätsverringerung führen können.

Beispiel – STA-Analyse von Graphit-Anodenmaterialien:
Ein konkretes Beispiel für die Anwendung der STA ist die Untersuchung von Graphit-Anodenmaterialien. Graphit wird häufig in Lithium-Ionen-Batterien verwendet und ist für seine Fähigkeit bekannt, Lithium-Ionen effizient zu speichern.

Bei der STA wird das Graphit-Anodenmaterial gleichzeitig einer Differenzthermoanalyse (DTA) und einer Thermogravimetrie (TGA) unterzogen. Diese kombinierte Analyse liefert wertvolle Informationen über die thermischen und massenverändernden Reaktionen des Materials während des Aufheizens.

Die DTA-Komponente misst den Wärmefluss, um endotherme und exotherme Ereignisse zu identifizieren, während die TGA den Gewichtsverlust des Materials aufzeichnet, was Rückschlüsse auf Zersetzungstemperaturen und -prozesse erlaubt.

Durch diese umfassende Analyse können kritische Informationen über die Stabilität des Anodenmaterials unter verschiedenen Betriebsbedingungen gewonnen werden. Beispielsweise ermöglicht die Identifikation der Temperatur, bei der das Graphit beginnt zu oxidieren, eine Optimierung des Batteriemanagementsystems, um Überhitzung zu vermeiden und die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.

Weiterhin können durch die Untersuchung der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Graphits während der Lithium-Ionen-Interkalation Erkenntnisse über die strukturelle Stabilität des Materials und dessen Einfluss auf die Zyklenfestigkeit gewonnen werden.

Die Interkalation von Lithium-Ionen in das Graphitanodenmaterial ist ein Prozess, bei dem Lithium sich zwischen den Graphitschichten einlagert, was zu einer Volumenänderung führt. Diese Volumenänderung kann mittels Dilatometrie, einer Methode zur Messung der Längenänderung von Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur, präzise bestimmt werden.

Ein Dilatometer ist dabei das Messgerät, das die thermische Ausdehnung und Kontraktion des Graphits während der Lithium-Interkalation erfasst und so Einblicke in die strukturelle Stabilität des Anodenmaterials liefert.

Die Verwendung der Simultanen Thermischen Analyse für die Untersuchung der Anodenmaterialien ist außerdem ein essentieller Schritt zur Steigerung der Effizienz und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien.

Diese tiefgehenden Analysen sind entscheidend, um optimierte Materialien für die Anforderungen moderner Batterietechnologien zu entwickeln.

Separator: In Batterien erfüllt der Separator eine entscheidende Funktion für die Sicherheit, insbesondere hinsichtlich des Risikos eines Kurzschlusses und Thermal Runaways. Er ist eine mikroporöse Membran, die zwischen der Kathode und Anode platziert wird, um einen direkten Kontakt und damit elektrische Kurzschlüsse zwischen den Elektroden zu verhindern. Gleichzeitig ermöglicht er den Ionenfluss zwischen Kathode und Anode während des Lade- und Entladezyklus.

• Ionendurchlässigkeit: Der Separator muss eine hohe Ionendurchlässigkeit auf-weisen, um einen effizienten Ionen-Transfer zu ermöglichen. Dies ist entscheidend für die Gesamtleistungsfähigkeit der Batterie.

• Thermische und mechanische Stabilität: Der Separator muss unter den Betriebsbedingungen der Batterie thermisch und mechanisch stabil sein. Eine unzureichende thermische Stabilität kann zum Schmelzen des Separators und damit zum Kurzschluss führen, was ein hohes Sicherheitsrisiko darstellt.

• Keramische Beschichtungen: Moderne Separatoren werden oft mit keramischen Partikeln beschichtet, um die thermische Stabilität zu verbessern. Diese Beschichtungen erhöhen die Schmelzintegrität und mechanische Robustheit des Separa-tors, insbesondere bei hohen Temperaturen, was die Sicherheit der Batterie deutlich erhöht. Die Schmelzintegrität eines Batterieseparators kann mit einem thermomechanischen Analysator (TMA) charakterisiert werden, um sicherzustellen, dass der Separator nicht mechanisch versagt oder reißt, was zu einem thermischen Durchgehen des Akkus führen kann.

• Analysemethoden: Zur Bewertung der Eigenschaften von Separatoren wird eine elektromechanische Messmethode eingesetzt. Diese Methoden können Aufschluss über die Größenänderung des Separators unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie über die Temperatur, bei der der Separator zu versagen beginnt, geben.

• Rolle bei der Verhinderung von Thermal Runaway: Ein effizienter und sicherer Separator ist entscheidend, um das Risiko eines Thermal Runaway zu minimieren. Er muss eine ausreichende Barrierewirkung beibehalten, auch wenn die Batterie extremen Temperaturen ausgesetzt ist.

Beispiel – TMA-Messung von beschichteten Separatormembranen:
Ein relevantes Beispiel für die Anwendung von Thermomechanischer Analyse (TMA) ist die Untersuchung von Separatormembranen, die mit keramischen Partikeln beschichtet sind. Diese Beschichtung kann die Sicherheit von Batterien signifikant erhöhen, indem sie die Schmelzintegrität und mechanische Robustheit des Separators oberhalb seines Schmelzpunkts verbessert.

Bei der Thermomechanischen Analyse (TMA) von Batterieseparatoren wird in erster Linie die physikalische Reaktion des Materials auf temperaturbedingte Veränderungen gemessen. Die zentralen Messgrößen sind hierbei die Ausdehnung bzw. Kontraktion (Dehnung oder Schrumpfung) des Separatormaterials in Abhängigkeit von der Temperatur.

Die TMA-Messung beinhaltet folgende Aspekte:

1. Messung der Ausdehnungskoeffizienten: Der TMA misst, wie sich die Separatormembran unter kontrollierten Temperaturbedingungen physikalisch verändert. Dies umfasst die lineare Ausdehnung oder Kontraktion des Materials bei Temperaturänderungen, was Aufschluss über die thermische Ausdehnungskoeffizienten gibt.

2. Bewertung der mechanischen Integrität: Die Messung der Dehnung oder Schrumpfung des Separators bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglicht die Bewertung seiner mechanischen Integrität. Dies ist entscheidend, um zu verstehen, wie der Separator unter den thermischen Bedingungen des Batteriebetriebs reagiert.

3. Bestimmung des Schmelzpunktes: Neben der Ausdehnung kann die TMA auch dazu verwendet werden, den Schmelzpunkt des Separatormaterials zu ermitteln. Der Schmelzpunkt ist eine kritische Temperatur, bei der der Separator beginnt, seine strukturelle Integrität zu verlieren, was zu Sicherheitsrisiken führen kann.

Elektrolyt: In Batterien ist der Elektrolyt ein Schlüsselelement, das für den Ionentransport zwischen Kathode und Anode unerlässlich ist. Er besteht im häufigsten Fall aus einer Lithiumsalzlösung in einem organischen Lösungsmittel und ermöglicht die Bewegung von Lithium-Ionen während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie.

• Ionenleitfähigkeit: Die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist entscheidend für die Effizienz des Ionentransfers zwischen den Elektroden. Eine hohe Ionenleitfähigkeit ermöglicht eine schnelle Ladung und Entladung der Batterie und verbessert die Gesamtleistung

• Chemische Zusammensetzung: Die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten, insbesondere die Art des Lithiumsalzes und des Lösungsmittels, beeinflusst die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie. Die Wahl der Komponenten hat direkten Einfluss auf Faktoren wie die Betriebsspannung, Temperaturstabilität und Sicherheit der Batterie.

• Elektrochemische Stabilität: Der Elektrolyt muss elektrochemisch stabil sein, um eine Zersetzung bei den Betriebsspannungen der Batterie zu vermeiden. Eine in-stabile Elektrolytzusammensetzung kann zu unerwünschten Nebenreaktionen führen, die die Leistung und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen.

• Interaktion mit Elektrodenmaterialien: Die Wechselwirkung des Elektrolyten mit den Elektrodenmaterialien ist entscheidend für die Langzeitstabilität der Batterie. Eine optimale Interaktion minimiert die Bildung von schädlichen Oberflächen-schichten auf den Elektroden, die als “Solid-Electrolyte Interphase” (SEI) bekannt sind.

• Thermische Stabilität: Die thermische Stabilität eines Batterieelektrolyten ist ein kritischer Faktor, der die Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit von Batterien maßgeblich beeinflusst. Eine hohe thermische Stabilität des Elektrolyten gewährleistet, dass selbst bei steigenden Betriebstemperaturen oder externen thermischen Belastungen die chemische Integrität des Elektrolyten und somit die Ionenleitungsfähigkeit erhalten bleiben. Die Messung der thermischen Stabilität, typischerweise durchgeführt mittels eines Dynamische-Differenzkalorimeters (DSC) oder einer thermogravimetrischen Analyse (TGA), ermöglicht die Identifikation von Temperaturgrenzen, innerhalb derer der Elektrolyt stabil ist und keine gefährlichen Zersetzungsprodukte freisetzt. Dies ist essentiell, um die Sicherheitsrisiken wie Thermal Runaway zu minimieren und eine sichere Betriebsumgebung für die Batte-rie zu gewährleisten.

Beispiel – TGA-MS-Messung von Elektrolyten:
Ein konkretes Beispiel für die Anwendung der TGA ist die Untersuchung der thermischen Stabilität und Zusammensetzung von Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien.

Bei dieser Messung wird der Elektrolyt einer kontrollierten Temperaturerhöhung ausgesetzt, um seine thermische Zersetzung und die daraus resultierenden Gewichtsverluste zu analysieren. Diese Daten sind besonders aufschlussreich, um die Stabilität des Elektrolyten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verstehen.

Beispielsweise kann die Zersetzungstemperatur des Elektrolyten Aufschluss dar-über geben, bei welchen Temperaturen die Batterie sicher betrieben werden kann, ohne dass die Gefahr einer thermischen Degradation des Elektrolyten besteht. Die thermische Degradation des Elektrolyten ist ein Prozess, bei dem sich der Elektrolyt unter Einfluss hoher Temperaturen zersetzt.

Dies kann aus mehreren Gründen kritisch sein:

1. Zersetzungstemperatur: Die Bestimmung der Zersetzungstemperatur des Elektrolyten gibt Aufschluss darüber, bei welchen Temperaturen die Batterie sicher betrieben werden kann. Die Zersetzungstemperatur ist die Schwelle, bei der der Elektrolyt beginnt, sich chemisch zu verändern und abzubauen.

2. Risiko der thermischen Degradation: Bei Überschreiten der Zersetzungstemperatur kann der Elektrolyt instabil werden und chemische Reaktionen eingehen, die die Leistung und Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Dies kann auch zur Bildung von Gasen und einer potenziellen Drucksteigerung innerhalb der Batteriezelle führen.

3. Auswirkungen auf die Batterieleistung: Die thermische Degradation des Elektrolyten kann zu einer Verringerung der ionischen Leitfähigkeit und somit zu einer reduzierten Batterieeffizienz führen. Zudem können sich durch den Abbau des Elektrolyten schädliche Produkte bilden, die die Elektrodenoberflächen beeinträchtigen.

4. Sicherheitsaspekte: Die thermische Stabilität des Elektrolyten ist entscheidend für die Gesamtsicherheit der Batterie. Eine thermische Degradation kann das Risiko eines Thermal Runaway erhöhen, insbesondere wenn es zu einer Reaktion mit anderen Batteriekomponenten kommt. Weiterhin kann die TGA-MS genutzt werden, um die Zusammensetzung des Elektrolyten zu ermitteln, einschließlich des Gehalts an Lösungsmitteln und anderen Additiven. Diese Informationen sind entscheidend für die Optimierung der Ionentransport-Eigenschaften des Elektrolyten, was wiederum die Effizienz und Lebensdauer der Batterie positiv beeinflussen kann. Die präzise Charakterisierung des Elektrolyten mittels Thermogravimetrischer Analyse liefert wesentliche Erkenntnisse für die Entwicklung leistungsfähigerer und sichererer Batterien. Die aus diesen Analysen gewonnenen Daten ermöglichen eine gezielte Optimierung der Batteriekomponenten, was zu einer verbesserten Gesamtleistung der Batterie führt.

Jede dieser Komponenten trägt wesentlich zur Gesamtperformance und Sicherheit einer Lithium-Ionen-Batterie bei. Die präzise Charakterisierung durch Linseis’ Messgeräte ermöglicht eine gezielte Optimierung dieser Komponenten, wodurch die Effizienz, Lebensdauer und Sicherheit von Batterien signifikant gesteigert werden können.

Verhinderung von Thermal Runaway – Sicherheit an erster Stelle

Thermal Runaway, ein unkontrollierter Temperaturanstieg in Batterien, kann zu schwerwiegenden Sicherheitsproblemen führen.

Die Analysegeräte, die zur Untersuchung der thermischen und mechanischen Stabilität von Batteriematerialien eingesetzt werden, sind entscheidend, um die Risiken eines solchen Ereignisses zu minimieren. Sie bieten genaue Einblicke in die thermische Stabilität von Batteriematerialien und helfen, potenzielle Gefahrenquellen zu identifizieren.

Thermal Runaway tritt auf, wenn die Temperatur innerhalb einer Batteriezelle einen Punkt erreicht, an dem die erzeugte Wärme größer ist als die abgegebene Wärme. Dies kann zu einer Kettenreaktion führen, die die Batterie zerstört oder sogar Brände auslöst. Es ist wichtig, die Ursachen von Thermal Runaway zu verstehen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um das Risiko zu minimieren.

Früherkennung mit DSC und TGA: Die frühzeitige Erkennung von Bedingungen, die zu einem Thermal Runaway führen könnten, ist entscheidend. Instrumente wie das Dynamische Differenzkalorimeter (DSC) und die Thermogravimetrische Analyse (TGA) liefern wichtige Daten über das thermische Verhalten von Batteriematerialien. Sie helfen, kritische Temperaturbereiche zu identifizieren, bei denen die Materialien in-stabil werden.

Analyse der Ursachen: Die Analyse der Ursachen eines Thermal Runaway umfasst die Untersuchung von Materialzusammensetzungen, Elektrolytstabilität und internen Zellreaktionen. Diese Analysen liefern wertvolle Einblicke, um potenzielle Risikofaktoren zu identifizieren und entsprechende Gegenmaßnahmen zu entwickeln.

Sicherheitsbewertung: Durch die Messung der Wärmeentwicklung und des Wärmemanagements können die Instrumente die Sicherheitsstandards von Batterien bewerten. Dies ist besonders wichtig bei der Entwicklung von Batterien für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge oder Energiespeichersysteme.

Materialoptimierung: Die Analyseergebnisse unterstützen bei der Auswahl und Entwicklung von Materialien, die weniger anfällig für Thermal Runaway sind. Dies trägt zur Verbesserung der Gesamtsicherheit, optimierte Wärmeabfuhr aus der Batteriezelle und Zuverlässigkeit der Batterien bei.

Optimierung von Elektrolyten: Die Optimierung der Elektrolytzusammensetzung ist ein weiterer wichtiger Aspekt, der durch präzise Instrumente unterstützt wird. Eine auf analytischen Daten basierende verbesserte Formulierung des Elektrolyten kann dazu beitragen, die thermische Stabilität innerhalb der Zelle zu erhöhen, was wiederum die Sicherheit der Batterie erhöht.

Optimierung des Zelldesigns: Die Optimierung des Zelldesigns zur Prävention eines Thermal Runaway erfordert ein integriertes Thermal Management, das auf einer sorgfältigen Auswahl von Materialien basiert, welche die Wärmeabgabe und -aufnahme effizient regulieren. Wissenschaftlich ausgewählte Anoden- und Kathodenmaterialien mit hohen thermischen Leitfähigkeiten sowie thermisch stabile Separatoren und Elektrolyte sind entscheidend, um eine übermäßige Wärmeentwicklung zu vermeiden. Zusätzlich tragen fortschrittliche Kühlmechanismen und Isolationsmaterialien zur Wärmeverteilung und -isolierung bei, wodurch lokale Überhitzungen verhindert und die Zelltemperatur homogenisiert wird. Ein durchdachtes Zelldesign, das diese Komponenten berücksichtigt, trägt signifikant dazu bei, die Batteriesicherheit zu erhöhen und das Risiko eines Thermal Runaway zu minimieren.

Präventive Maßnahmen durch Materialcharakterisierung: Die Implementierung präventiver Maßnahmen basierend auf den Analyseergebnissen ist ein entscheidender Schritt zur Minimierung des Risikos eines Thermal Runaway. Dazu gehören die Optimierung des Zelldesigns, die Verbesserung des Batteriemanagementsystems und die Entwicklung von Sicherheitsmechanismen.

Thermal Management – Risikominimierung und optimiertes Thermal Management für längere Lebensdauer sowie Effizienz

Die effiziente Regulierung der Betriebstemperatur ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Batterien. Sie trägt dazu bei, die Degradation der Batteriekomponenten zu minimieren und die Gesamtlebensdauer zu verlängern.

Lithium-Ionen-Batterien haben sich als Standard für tragbare Elektronik, Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme etabliert, hauptsächlich aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer Ladezyklenbeständigkeit.

Die Betriebstemperatur ist entscheidend für die Effizienz und Langlebigkeit dieser Batterien, wobei die optimale Temperatur zwischen etwa 15°C und 35°C liegt.

Temperaturen über diesem Bereich beschleunigen die chemische Degradation, erhöhen das Risiko eines Thermal Runaway und können zu dauerhaftem Kapazitätsverlust führen.

Zu niedrige Temperaturen hingegen beeinträchtigen die Ionendiffusion und erhöhen den Innenwiderstand, was die Batterieleistung mindert und das Risiko von Lithium-Plating beim Laden erhöht.

Die Aufrechterhaltung einer angemessenen Betriebstemperatur ist daher essentiell, um die maximale Leistung, Sicherheit und Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten.

Verschiedene Thermal Management-Methoden, wie aktive Kühlung oder indirekte Flüssigkeitskühlung, sind entscheidend, um die Betriebstemperatur im optimalen Bereich zu halten und so die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten.

Komplexität des Thermal Managements in Batterietechnologien

• Das Thermal Management in modernen Batteriesystemen spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer. Es beinhaltet die präzise Regulation der internen Temperaturverhältnisse, um eine optimale Funktionsweise zu gewährleisten.

• Eine unkontrollierte Temperaturerhöhung kann zu irreversiblen Schäden durch chemische Degradation führen, während zu niedrige Temperaturen die ionische Leitfähigkeit und damit die Leistungsfähigkeit der Batterie beeinträchtigen können.

• Ein ausbalanciertes Thermal Management sichert nicht nur die Effizienz, sondern auch die Langlebigkeit und Sicherheit der Batterien, besonders in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen.

Analytische Instrumente für die Wärmetransporteigenschaften

• Zur Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Batteriematerialien werden fort-geschrittene analytische Instrumente eingesetzt. Der Laser Flash Analyzer (LFA), der Transient Hot Bridge (THB) und das Periodic Laser Heating (PLH).

• Der LFA ermöglicht die Messung der Wärmeleitfähigkeit und Diffusivität, welche für die Wärmeübertragung innerhalb der Batteriekomponenten entscheidend sind.

• Der Transient Hot Bridge (THB) erweitert das Spektrum der Wärmeanalyse, indem er die thermische Leitfähigkeit und den Wärmewiderstand von Batteriematerialien unter realen Betriebsbedingungen misst.

• Das Periodic Laser Heating (PLH) ist eine innovative Methode zur schnellen und präzi-sen Charakterisierung der Wärmeleitfähigkeit und spezifischen Wärmekapazität. Es ist unerlässlich für eine genaue thermische Analyse und für die Entwicklung von Batterie-materialien mit überlegenen thermischen Eigenschaften.

Bedeutung des TIM-Testers für effiziente Wärmeübertragung

• Der Thermal Interface Material (TIM)-Tester ist spezialisiert auf die Bewertung von Materialien, die an den Schnittstellen zwischen den Batteriezellen und Kühlkomponenten eingesetzt werden. Außerdem kann er die thermischen Impedanz messen, was die Optimierung des Thermal Management von Zellreihen ermöglicht.

• Er misst präzise die thermische Leitfähigkeit und den Wärmewiderstand dieser Materialien, um eine optimale Wärmeübertragung der Batterien auf das Gehäuse oder des Kühlkörpers sicherzustellen.

• Effiziente Schnittstellenmaterialien, identifiziert und optimiert durch den TIM-Tester, sind essentiell, um eine Überhitzung der Zellen zu vermeiden und tragen maßgeblich zur Verbesserung der Gesamtleistung der Batterie bei.

Visualisierung und Interpretation thermischer Daten

• Die Visualisierung der durch diese Analysen gewonnenen Daten ermöglicht eine tiefgreifende Interpretation der thermischen Eigenschaften der Batteriematerialien.

• Diagramme, die die Wärmeleitfähigkeit oder spezifische Wärmekapazität über verschiedene Temperaturbereiche darstellen, bieten umfassende Einblicke in das Wärmemanagement der Batterien.

Ein effektives Thermal Management, unterstützt durch präzise Messungen und Analysen von Linseis’ Instrumenten, ist unerlässlich, um die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer von modernen Batterien zu maximieren.

Durch kontinuierliche Innovationen in diesem Bereich tragen wir dazu bei, die Zuverlässigkeit und Effizienz der Batterietechnologie weiter zu verbessern.

Die Abbildung zeigt 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.

Thermal Stability – Ein Schlüsselfaktor für zuverlässige Batterien

Die thermische Stabilität von Batteriematerialien ist ein entscheidender Faktor für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Linseis’ hochmoderne Messgeräte spielen eine zentrale Rolle bei der Beurteilung und Verbesserung dieser wichtigen Eigenschaft.

Die Fähigkeit, die thermische Stabilität von Batteriematerialien genau zu bewerten, ist entscheidend, um sicherzustellen, dass moderne Batterien den hohen Anforderungen an Sicherheit und Leistung gerecht werden. Linseis’ Messgeräte bieten die notwendige Präzision und Zuverlässigkeit, um diese wichtige Eigenschaft umfassend zu beurteilen.

Abb. 2 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.

Device Characterisation – Präzision in der Batterieforschung mit dem 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 (IBC) an. Es besteht aus einer variablen Anzahl nahezu identischer Komponenten und ermöglicht die Untersuchung unterschiedlichster Batteriezellgrößen. Außerdem sind die Module in ihrer Geometrie leicht skalierbar.

Wichtigkeit des Batteriekalorimeters: Das Batteriekalorimeter misst die Wärme-mengen, die bei elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Batterie entstehen. Die-se Messungen sind entscheidend, um das thermische Verhalten und die Effizienz von Batterien zu verstehen und zu verbessern.

Einsatzbereiche: Diese Geräte sind besonders wichtig für die Entwicklung neuer Batterietypen, wie Lithium-Ionen-Batterien, bei denen die thermische Stabilität und Sicherheit von größter Bedeutung sind. Sie werden auch in der Qualitätskontrolle und bei der Leistungsüberprüfung von Batterien eingesetzt.

Thermische Analyse und Sicherheit: Durch die Analyse der Wärmeentwicklung bei unterschiedlichen Betriebszuständen helfen Batteriekalorimeter, potenzielle Sicherheitsrisiken wie Thermal Runaway zu identifizieren und zu verhindern. Dies ist entscheidend für die Sicherheit von Endverbraucherprodukten.

Optimierung der Batterieleistung: Die genaue Messung der Wärmeentwicklung ermöglicht es, die interne Chemie und Konstruktion der Batterie zu optimieren, was zu einer erhöhten Energiedichte, einer verbesserten Ladekapazität und einer längeren Lebensdauer führt.

Forschung und Entwicklung: In Forschungs- und Entwicklungslaboren werden Batteriekalorimeter eingesetzt, um neue Materialien und Technologien zu testen und zu bewerten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sind essentiell für den Fortschritt in der Batterietechnologie.

Gemeinsam entwickelt mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt:

Übersichtstabelle