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Thermisches Verhalten als Schlüssel zur Batterieleistung
Die Entwicklung effizienter und langlebiger Batterien erfordert ein detailliertes Verständnis der thermophysikalischen Eigenschaften von Zellkomponenten. Besonders bei der Charakterisierung von Lithium-Eisenphosphat (LFP), Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) sowie Festelektrolyten ist die präzise Messung thermischer Parameter entscheidend, um Alterungsmechanismen und Effizienzverluste während Lade- und Entladezyklen zu verstehen und zu steuern. Die Transient Hot Bridge (THB) Methode hat sich dabei als zentrale Methode zur präzisen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und spezifischen Wärmekapazität etabliert.
Die Transient Hot Bridge Methode: Technische Überlegenheit
Die THB-Methode verbessert die Genauigkeit bei der Messung thermischer Eigenschaften von Zellkomponenten auf mehreren Ebenen und bietet gegenüber älteren Methoden wie dem Transient Hot Strip (THS) oder klassischen Heizdrahtverfahren entscheidende Vorteile. Als absolute Messmethode erfordert sie keine zusätzliche Kalibrierung oder Referenzmessung, wodurch systematische Fehler durch Referenzabweichungen ausgeschlossen werden (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Technischer Aufbau und Messprinzip
Der Sensor der THB-Methode wird als gedruckte Schaltungsfolie aus Nickel zwischen zwei Polyimid-Folien realisiert. Das Layout besteht aus vier Heizstreifen, die parallel angeordnet und zu eine Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Bei konstanter Temperatur ist die Brücke von Natur aus ausbalanciert, d.h. es ist keine Kalibrierung erforderlich.
Ein besonders wichtiger Vorteil der THB liegt in der Kompensation von Randeffekten. Während konventionelle Heizdraht- Methoden durch Wärmeverluste über Anschlüsse oder Randbereiche beeinträchtigt werden, werden bei der THB- Messmethode diese Randeffekte gemessen und können so vom Ergebnis abgezogen werden.
Die Methode deckt einen großen Messbereich der Wärmeleitfähigkeit von 0,01 bis 1000 W/(m*K) ab und erfüllt internationale Normen wie ASTM D5930, ASTM D7896-19 und ISO 22007-2, wodurch Vergleichbarkeit und Qualitätssicherung gewährleistet sind. Besonders vorteilhaft sind die kurzen Messzeiten von oft weniger als einer Minute.
Kritische thermophysikalische Parameter für Batteriezellen
Für die Alterung und Effizienz von NMC- und LFP-Zellen während Lade- und Entladezyklen sind mehrere thermophysikalische Parameter von entscheidender Bedeutung:
Die Wärmeleitfähigkeit bestimmt, wie effizient Wärme innerhalb der Zelle abgeleitet werden kann. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung und verhindert Hotspots, die lokal hohe Temperaturen und damit beschleunigte Alterung verursachen können. Marconnet et al. (2024) zeigen, dass das Nachlassen der Wärmeleitfähigkeit durch Alterung direkt die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Li-Ion-Batterien herabsetzt – teilweise um bis zu 75% nach langen Hochtemperaturbelastungen und mehreren tausend Zyklen.
Die spezifische Wärmekapazität definiert, wie viel Wärme eine Zellkomponente aufnehmen kann, bis die Temperatur steigt. Materialien mit hoher Wärmekapazität puffern Temperaturschwankungen besser und können daher Zellschäden bei schnellen Lade-/Entladevorgängen reduzieren. Die spezifische Wärmekapazität kann sich durch Alterung und Materialermüdung verändern und beeinflusst so die Temperaturprofile während des Zyklus.
Die Temperaturleitfähigkeit (Wärmediffusivität) gibt an, wie schnell sich Temperaturänderungen im Material ausbreiten. Niedrige Wärmediffusivität führt zu träg verändernden Temperaturzonen innerhalb der Zelle – besonders kritisch bei hohen C-Raten, weil sich in solchen Fällen gefährliche Temperaturgradienten bilden können, die die lokal beschleunigte Alterung fördern.
Praktische Anwendungsbeispiele
Anodenmaterial-Charakterisierung
Ein spezifisches Anwendungsbeispiel ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit von Anodenmaterial, das auf einen dünnen Kupferstromkollektor aufgetragen wurde. Diese Messungen sind wichtig für die Entwicklung, Optimierung und das Design von Batterie-Wärmemanagement-Systemen. Die THB-Methode ermöglicht es, sowohl die Beschichtung als auch das Trägermaterial in ihrer Gesamtheit zu charakterisieren.
Qualitätskontrolle in der Batterieproduktion
In der industriellen Batterieproduktion wird die THB-Methode zur kontinuierlichen Qualitätskontrolle von Rohstoffmaterialien eingesetzt.
Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien
Die Methode liefert Ergebnisse für Feststoffe und Flüssigkeiten sowie Pulver und Pasten mit hoher Messgenauigkeit, was sie besonders wertvoll für die Entwicklung innovativer Elektrodenmaterialien macht.
Materialspezifische Betrachtungen und Alterungseffekte
LFP-Zellen sind bekannt für ihre chemische Stabilität und moderate Temperaturabhängigkeit, jedoch können Mikrostrukturschäden an der Elektrode durch zyklische Belastung die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität deutlich verschlechtern. NMC-Zellen zeigen oft eine stärkere Temperatur- und Alterungsabhängigkeit in ihren thermischen Eigenschaften, was höhere Anforderungen an das thermische Management und die Materialcharakterisierung stellt (Ali et al., 2023).
Festelektrolyte bieten das Potenzial für erhöhte Sicherheit, aber ihre teils geringe intrinsische Wärmeleitfähigkeit stellt neue Herausforderungen an die Temperaturhomogenität und erfordert besonders exakte und ortsaufgelöste Messmethoden wie THB. Steinhardt et al. (2022) bestätigen experimentell, dass starke Temperaturerhöhungen und -gradienten sowohl die Alterung als auch die Leistungsfähigkeit der Zellen negativ beeinflussen.
Methodenvergleich: THB gegenüber etablierten Verfahren
Vergleich mit der Laser Flash Analyse (LFA)
Die THB Messmethode liefert im Ergebnis die Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und bei bekannter Dichte auch die spezifische Wärmekapazität. Mit der Laser Flash Methode erhält man nur die Temperaturleitfähigkeit. Des Weiteren sind die Messungen mit dem THB sehr einfach und ohne Vorkenntnisse durchführbar. Zudem dauern die Messungen nur einige Sekunden bis Minuten.
Der Vorteil der LFA liegt im großen abdeckbaren Temperaturbereich von -150 bis 2800°C. Die THB kann im Temperaturbereich von -150 bis 700°C verwendet werden.
Vorteile gegenüber konventionellen Hot Wire Methoden
Traditionelle Hot Wire Methoden leiden unter Randeffekten und Kabeleinflüssen, die zu systematischen Messfehlern führen können. Die THB eliminiert diese Probleme durch:
- Messung und Kompensation von Randeffekten führt zu wesentlich höheren Genauigkeiten
- Brückenkonfiguration vereinfacht die Kalibrierung und die Bedienung des Messgerätes enorm
Vorteile gegenüber konventionellen Hot Wire Methoden
Traditionelle Hot Wire Methoden leiden unter Randeffekten und Kabeleinflüssen, die zu systematischen Messfehlern führen können. Die THB eliminiert diese Probleme durch:
- Messung und Kompensation von Randeffekten führt zu wesentlich höheren Genauigkeiten
- Brückenkonfiguration vereinfacht die Kalibrierung und die Bedienung des Messgerätes enorm
Bedeutung für die Batteriesicherheit
Die präzise Charakterisierung thermophysikalischer Eigenschaften ist entscheidend für die Bewertung der Batteriesicherheit. Regulierungsbehörden verlangen zunehmend detaillierte thermische Modelle zur Vorhersage des Verhaltens bei Missbrauchsbedingungen. Die normkonforme THB-Methode liefert die notwendigen Grunddaten für diese Sicherheitsbewertungen und trägt zur Zulassung von Batterieprodukten bei.
Fazit für Forschung und Entwicklung
Die Transient Hot Bridge Methode maximiert die Genauigkeit bei der Erfassung thermischer Eigenschaften von Zellkomponenten durch kalibrierungsfreie, randeffektkompensierte Messung, große Materialflexibilität und kurze Messzeiten. Nur durch exakte, reproduzierbare Messungen aller relevanten thermophysikalischen Parameter können Zellmaterialien heute effizient bewertet, neue Designs entwickelt und Qualitätsstandards gewährleistet werden. Für die Charakterisierung und Optimierung moderner Batteriematerialien – von Elektroden über Separatoren bis zu Festelektrolyten – ist sie dadurch ein unverzichtbares Werkzeug im Labor und eröffnet höchste Präzision und Anwendungsflexibilität speziell für die Bedürfnisse der modernen Batterieforschung und -entwicklung.
Literaturverzeichnis
Ali, H. et al. (2023). „Assessment of the calendar aging of lithium-ion batteries for electric vehicle applications“. Frontiers in Energy Research.
Marconnet, A. et al. (2024). „Impact of aging on the thermophysical properties of lithium-ion battery electrodes“. Journal of Power Sources.
Hammerschmidt, U. „Transient Hot Bridge“. Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig.
Steinhardt, M. et al. (2022). „Experimental Investigation of the Thermal Conductivity of Lithium-Ion Battery Components“.
