Elements23 - Evonik

Lithium-Ionen-Batterien
auf den Gebieten Zerkleinern, Mischen und Dispergieren
sowie Pulverhandling und -verdichtung. Die Ausstattung des
iPAT, die teils bereits länger vorhanden ist, teils im Rahmen der
DFG-Projektinitiative zusätzlich beschafft wurde, erlaubt die
Durchführung und Untersuchung des Herstellungsprozesses
von Lithium-Ionen-Elektroden im Kleinmaßstab. Die Möglich -
keiten reichen von der Materialvorbehandlung über die Disper -
gierung der Suspensionen bis zur Beschichtung, Trocknung
und Verdichtung der Elektrodenschichten.
Entwicklungsziel: längere Lebensdauer der Elektroden
Für die Analytik verfügt das iPAT unter anderem über diverse
Partikelgrößenmessgeräte bis in den Nanometerbereich, über
Rheometer sowie über Geräte zur Messung von mikromechanischen
Eigenschaften – dazu gehören unter anderem ein Ras ter -
kraftmikroskop und ein Nanoindenter, mit dem Härtemes sun gen
und die Bestimmung von elastischen Eigenschaften mög lich
sind. Speziell für die Ermittlung der mechanischen Fes tig keit
und Beständigkeit von Elektrodenbeschichtungen, die einen
bedeutenden Einfluss auf die zyklische und kalendarische
Lebensdauer der Elektroden haben, entwickelt oder adap tiert
das iPAT derzeit verschiedene Methoden: die Nano in den tation,
den Stirnabzugstest – die gebräuchlichste und am weitesten
entwickelte quantitative Methode zur Messung der Haft -
festigkeit dünner Oberflächenschichten – oder den Drei punkt -
biegetest zur Messung der Verbund fes tig keit.
Elektroden für Lithium-Ionen-Akkumulatoren bestehen
aus wenigen Mikrometer großen Partikeln, z. B. Graphit par -
tikel auf der Anode und Lithium-Metalloxidpartikel auf der
Kathode. Diese sind auf einer Metallfolie, dem so genannten
Strom sammler, in einer etwa 20 bis 200 μm starken Schicht
gebunden. Wichtige Eigenschaften der Schicht sind das Flä chengewicht,
die Schichthöhe und -breite, die Porosität so wie die
Gemeinsam mit dem
iPAT untersucht Evonik
Litarion beispielsweise
die Schichterzeugung in
der Produktionsanlage
unter gezielter Variation
der Dispersionseigen -
schaften, insbesondere
der rheologischen Eigen -
schaften. Die Grafik
zeigt, wie sich die Visko -
si tät der Dispersion in
Abhängigkeit von
Fest stoff gehalt und
Tempe ra tur ändert
■■ T = 20 °C
■■ T = 35 °C
■■ T = 50 °C
Viskosität [Pa•s]
elements23 EVONIK SCIENCE NEWSLETTER
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50 52 54 56 58 60 62 64 66
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INORGANIC PARTICLE DESIGN
Schichtkontur. Vor der Beschichtung müssen die Par tikel in
einem Lösungsmittel zusammen mit einem Bindemittel dispergiert
werden. Für die Beschichtung selbst stehen unterschied -
liche Verfahren zur Verfügung, wobei die Auswahl unter
anderem von der Gerätegröße – Labor- oder Produktionsmaß -
stab – ab hängt. Die Rezeptur der Dispersion muss dem Be -
schich tungs verfahren unter Einhaltung der gewünschten elektrochemischen
Parameter der Elektroden angepasst werden.
Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen Evonik und dem
iPAT wird zum Beispiel der Einfluss wichtiger For mu lie rungsund
Dispergierparameter auf die geometrischen und physikalischen
Eigenschaften – unter anderem Höhe, Kontur und Po ro -
si tät – von Elektrodenschichten untersucht. Konkret wol len die
Forscher folgende Fragen klären:
• Welchen Einfluss haben Rezeptur- und Disper gier para me -
ter wie Feststoffgehalt, Dispergierzeit und -intensität, Tem pe -
ratur und Vakuum auf die rheologischen Eigenschaften und die
Stabilität der Dispersion für die Beschichtung?
• Wie verläuft die Schichterzeugung in der Produk tions an -
la ge unter gezielter Variation der Dispersionseigenschaften,
insbesondere der rheologischen Eigenschaften, und gegebenenfalls
unter Berücksichtigung des Beschichtungsverfahrens?
• Wie hängen die Porosität verschiedener Elektroden schich -
ten und die elektrochemische Leistung des fertigen Produkts
zu sammen?
Durch eine tiefer gehende Kenntnis dieser essenziellen
Stru ktur-Eigenschaftsbeziehungen der untersuchten Systeme
ist es möglich, Elektrodenbänder noch besser auf die jeweilige
An wendung abzustimmen und maßgeschneidert für den Kun -
den herzustellen. Auf diese Weise sollen auch die Elek tro den
zur weiteren Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterien bei -
tragen. Auch deshalb soll die Zusammenarbeit mit dem iPAT,
die sich schon jetzt bewährt hat, in Zukunft noch erweitert werden.
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Feststoffgehalt [%]
ANSPRECHPARTNER
DR. ANDRÉ MECKLENBURG
Servicebereich Verfahrenstechnik & Engineering
Evonik Degussa GmbH
+49 6181 59-4223
andre.mecklenburg@evonik.com
DR. ANDREAS SCHORMANN
Produktionsleitung
Evonik Litarion GmbH
+49 3578 37487-314
andreas.schormann@evonik.com
DR. CLAUDIA VEIT
Elektrodenentwicklung
Evonik Degussa GmbH
+49 2365 49-5093
claudia.veit@evonik.com
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