Gräbe, Heiko: Untersuchung der Morphologie und elektrochemischen Eigenschaften von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien in Abhängigkeit des temperierten Kalandrierens

Abstract in Deutsch:

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit einer Lithium-Ionen Sekundärbatterie ist es, das optimale Verhältnis zwischen elektronischer und ionischer Leitfähigkeit herzustellen. Durch exaktes Kalandrieren der Elektrode auf den bestmöglichen Porositätswert ist dies erreichbar. Grundsätzlich werden die Energiedichte sowie die mechanischen Eigenschaften der Elektroden durch das Kalandrieren verbessert. Für niedrige Porositäten resultieren höhere Energiedichten, allerdings wird die Leistungsfähigkeit der Elektroden aufgrund des auftretenden Blockiereffektes des Binders an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche gemindert. In dieser Arbeit wird der grundlegende Einfluss des temperierten Kalandrierens auf die Morphologie und die elektrochemischen Eigenschaften von NCM-Kathoden untersucht. Hierfür werden drei unterschiedliche Flächenkapazitätswerte der Kathoden analysiert (2,0 mAh/cm 2, 2,8 mAh/cm 2 und 3,6 mAh/cm 2). Die Auswirkungen der Kalanderparameter, wie Kalanderspalt und Walzentemperatur, auf die Porosität werden zu Beginn der Arbeit untersucht. Bei höheren Kalanderwalzentemperaturen wurde eine Schichtstärkenzunahme festgestellt, wodurch die Kompaktierung der Elektroden zunehmend schwieriger wird. Dieser Effekt wurde mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX), Röntgenbeugung (XRD) und dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht. Anhand jener Ergebnisse wird versucht, den auftretenden Effekt zu erklären. Weiterhin wird gezeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden für niedrige Porositäten gesteigert werden kann. Elektroden, die bei einer Temperatur von 100°C kalandriert wurden, zeigten aufgrund der Umstrukturierung des Bindernetzwerkes eine geringere Leitfähigkeit gegenüber denen bei Raumtemperatur. Im letzten Teil der Arbeit werden die Zusammenhänge zwischen den morphologischen und elektrochemischen Analysen aufgezeigt. Dabei werden C-Raten-Tests von Halbzellen gegenüber Lithium-Anoden (EL-Cells) durchgeführt, um die Entladefähigkeit der Kathoden zu bewerten. Langzeitzyklierungstests von Vollzellen gegenüber Graphit-Anoden (Pouch- Zellen) bei einer Entlade-C-Rate von 3C, dienen der Bewertung der Langzeitstabilität der Kathoden.