Batteriematerialien

Wir entwickeln und analysieren nachhaltige Batterietechnologien, insbesondere wiederaufladbare Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) als kostengünstige und nicht brennbare elektrische Energiespeicher. Um neuartige Batterietechnologien unter möglichst anwendungsnahen Bedingungen charakterisieren zu können, fertigen wir Pouchzell-Prototypen, die an die jeweiligen Anforderungen der Zellchemie angepasst werden. Unsere Materialforschung wird durch umfassende (Struktur-)Analytik begleitet, wobei die Materialien im Ausgangszustand, unter operando-Bedingungen und post-mortem untersucht werden. Dies ermöglicht die Aufklärung der Energiespeicherprozesse, aber auch von Alterungs- und Fehlermechanismen.

Die wiederaufladbare Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) ist eine kostengünstige und nicht-entflammbare Energiespeichertechnologie aus Basis der gut verfügbaren Aktivmaterialien Aluminium und Graphit. Bezogen auf Natur-Graphit als Kathodenmaterial werden Energiedichten von 160 Wh/kg und Leistungsdichten > 9 kW/kg erreicht. Als Hochleistungsspeicher kann die AIB damit in sehr kurzer Zeit mit hohen C-Raten geladen und entladen werden. Der reversible Prozess erlaubt mehr als 10.000 Zyklen bezogen auf 100 % DOD in Labortestzellen, bei gleichbleibend hoher Coulomb-Effizienz von nahezu 100 % und Energie-Effizienz von > 85 %. Die eigens für AIB entwickelten korrosionsbeständigen mehrlagigen Pouchzellen zeigen eine Kapazität bis zu 200 mAh und erreichen eine Lebensdauer von mehr als 1.000 Zyklen je nach Laderate (> 1.000 Zyklen für 4-lagige 200 mAh Zellen bei 6 C, > 7.000 Zyklen für einlagige 30 mAh-Zellen bei 30 C).
Al-Ionen-Batterien haben ein großes Potential für stationäre und hybride mobile Anwendungen, insbesondere als Hochleistungsspeicher, z.B. zur dynamischen Netzstabilisierung und für USV-Systeme.

Leistungen

• Synthese und Entwicklung nachhaltiger Aktiv- und Passivmaterialien für Li-freie Batterietechnologien
• Fertigungstechnologie für Al-Ionen-Pouchzellen

Neue Batteriematerialien werden im Entwicklungsstadium oftmals in Labortestzellen oder Knopfzellen evaluiert. Für eine realistische Abschätzung einer potentiellen kommerziellen Umsetzung sind aber Untersuchungen unter anwendungsrelevanten Bedingungen in größeren Batteriezellen erforderlich. Am Fraunhofer IISB werden daher für neue Batterietechnologien Pouchzell-Prototypen entwickelt. Entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Zellchemie werden angepasste Materialien oder spezielle Designs für die einlagigen oder mehrlagigen Zellen genutzt. Ein Beispiel ist die Aluminium-Ionen-Batterie, für die aufgrund eines hochkorrosiven Elektrolyten spezielle Pouchzell-Casing-Materialien und Stromsammler eingesetzt werden.
Für die elektrochemische Charakterisierung von einzelnen Batteriekomponenten bis hin zu mehrlagigen Pouchzellen stehen verschiedenste Potentiostate und je nach Fragestellung spezialisierte Labortestzellen zur Verfügung. Die automatisierte Auswertung der U/I-Charakteristika für Lade-/ Entladezyklen erfolgt mittels Python.

Leistungen

• Charakterisierung von Batteriematerialien und -komponenten in Halb- und Vollzellen (z.B. Swagelok- / EL-CELL-Labortestzellen), möglich unter definierten Temperaturbedingungen (Klimaschrank) oder in inerter Atmosphäre (Glovebox)
• Potentiostate (inkl. EIS) und Batteriezyklierer für spezifische Anforderungen
• Bestimmung temperaturabhängiger ionischer Leitfähigkeit von Elektrolyten mittels EIS
• Elektrochemische Oberflächenanalytik von Elektroden
• Entwicklung und Fertigung von Pouchzell-Prototypen für spezifische Anforderungen neuer Zellchemietypen
• Halbzelluntersuchungen in Pouchzellen mittels integrierter Referenzelektrode
• Post-mortem Analyse unter inerten Bedingungen (z.B. mittels Glovebox-Mikroskop)

Die zielgerichtete Entwicklung neuer Batteriematerialien erfordert die Aufklärung von Materialstruktur und Batterieeigenschafts-Beziehungen. Hierfür werden die eingesetzten Materialien sowohl im Ausgangszustand, aber auch unter operando- und post-mortem Bedingungen umfassend mikrostrukturell charakterisiert. Dies erfordert für die jeweilige Zellchemie bzw. Analysemethode spezifische operando-Testzellen und Fenstermaterialien. Für die Untersuchung von Fehler- und Alterungsprozessen werden post-mortem Analysen unter inerten Bedingungen durchgeführt, um die Materialien möglichst unverändert zu untersuchen.

Leistungen

• Pulver-XRD inkl. operando-Option in Bragg-Brentano-Geometrie (Rigaku SmartLab) oder in Transmission (Stoe Stadi P), inerte Bedingungen möglich
• Ramanspektroskopie (Horiba LabRam Odyssey) inkl. operando-Option, Messung fester und flüssiger Proben, inerte Bedingungen möglich
• Entwicklung, Adaptierung und Evaluation von operando-Messzellen und Fenstermaterialien für spezifische Anforderungen
• ATR-IR-Spektroskopie unter inerten Bedingungen in der Glovebox
• REM/EDX-Untersuchungen (inerte Bedingungen möglich)
• Lichtmikroskopie (inerte Bedingungen möglich)
• Wassergehaltsbestimmung fester Batteriekomponenten mittels Karl-Fischer-Titration
• Partikelgrößenbestimmung mittels dynamischer Lichtstreuung
• Bestimmung BET-Oberfläche und Porengröße mittels Stickstoff-Adsorption