Echtzeitmonitoring von Elektrolytzerfallsprozessen bei Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien
Das Ziel von OPERION ist es, ein besseres Verständnis der Alterungsmechanismen der Zellchemie der Generation 3 während des Batteriebetriebs bei hohen C-Raten (bis zu 3,5C) durch eine integrierte Echtzeit-Operando-Methode zu erhalten
Die immer kürzeren Ladezeiten machen es notwendig, schnelle Echtzeit-Messmethoden zu entwickeln. Zu diesem Zweck wird ein bestehendes operando Gaschromatograph / Massenspektrometer / Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (GCMS-FTIR)- System adaptiert und mit einem stationären negativen thermischen Gradienten-Gaschromatograph ausgestattet, der es ermöglicht, Zellzersetzungsprozesse in hoher Zeitauflösung (Messungen in Drei-Minuten-Abständen) zu beobachten. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Zusammensetzungen des Elektrolyten, die einen mindernden Einfluss auf die Elektrolytzersetzung haben, elektrochemisch beprobt und zeitgleich Gasmessungen durchgeführt. Auf diese Weise kann der Elektrolyt schnell und effektiv optimiert werden, was sich positiv auf die Entwicklungszeit von Batterien auswirkt. Die Bestimmung der Menge der einzelnen Gase erlaubt es, ein elektrochemisches, transientes Modell zur Simulation der Elektrolytzersetzung zu erstellen und wird so in Kombination mit Post-mortem Analysen und operando Gasmessungen zur Erhebung von Zersetzungsmechanismen einer ganzen Zelle herangezogen. Diese Daten bieten die Grundlage, um einerseits Verbesserungen am Elektrolyten und/oder dem Material bzw. den Materialkombinationen vorzunehmen und andererseits den Zustand der Zelle zu bewerten, um eine Aussage über Sicherheit, Lebensdauer und Toxizität treffen zu können. Auch aus umwelttechnischer Sicht sind die Daten relevant und werden zusätzlich im Projekt für die Erstellung einer detaillierten Life Cycle Assessment (LCA)-Datenbank verwendet. Durch quantitative Daten aus der Gasanalyse wird das Ökobilanzmodell um ein End-of-Life Szenario auf Screening-Ebene ergänzt bzw. zur Bewertung der Rezyklierbarkeit verwendet.
Im Rahmen des Projekts werden insbesondere folgende Forschungsschwerpunkte gesetzt:
- Bestimmung von Zersetzungsprozessen in Lithium-Ionen-Batterien unter konventionellen und extremen Betriebsbedingungen durch Gasanalyse mit Hilfe eines operando- fast-GCMS, sowie der strukturellen und chemischen Post-Mortem-Charakterisierung von elektrochemisch getesteten Elektrodenmaterialien
- Entwicklung eines Gaschromatographen zur schnelleren Trennung von komplexen Gasgemischen durch erhöhte chromatographische Zeitauflösung (Probenlauf unter drei Minuten) mit Resultat eines erhöhten Probendurchsatzes
- Verbesserung der Energiedichte und Lebensdauer von Zellen mittels Optimierung des Elektrolyten durch die Minderung von Degradationseffekten
- Anwendung eines elektrochemischen, transienten Modells zur Simulation von Raten und Stöchiometrie der Elektrolytzersetzung
- Lebenszyklusanalysen zur Abschätzung des ökologischen Fußabdrucks und der Risikobewertung für Zellchemien
Die enge Zusammenarbeit von Forschung, Zellhersteller, Anwender und Umweltberatungsunternehmen ermöglicht so die schnellere Entwicklung von Batterien mit erhöhter Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit.
