Karlsruher Institut für Technologie

Am Institut für Angewandte Materialien (IAM) des Karlsruher Institut für Technologie arbeiten mehrere Arbeitsgruppen an verschiedenen Themen zur Lithium-Ionen-Baterrietechnologie. Während sich die Arbeitsgruppe von Dr. J. R. Binder am Teilinstitut Keramische Werkstoffe und Technologien (IAM-KWT) mit der Synthese von Kathodenmaterialien und Prozess-Gefüge-Eigeschaftsbeziehungen strukturierter Werkstoffe beschäftigt, ist die Gruppe um Prof. Kamlah am Teilinstitut für Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM) auf die Modellierung des elektronischen Transports im Elektrodenverbund bei Berücksichtigung der Wechselwirkung mechanischer Effekte  ausgerichtet.

 

In Rahmen der Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe Binder konnte beispielsweise die Leistungsfähigkeit kommerzieller Kathodenmaterialien durch strukturierte Makropartikel signifikant verbessert und anhand von (Labor-)Pouchzellen deren Vorteile bei einer möglichst realitätsnahen Belastung (Lastprofil einer Stadtfahrt) nachgewiesen werden. [1] Der Gefügeeinfluss auf die elektrische bzw. elektrochemischen Eigenschaften konnte auch an selbst synthetisierten Pulvern wie Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3 [2] oder dotiertem LiNi0,5Mn1,5O[3] gezeigt werden. Die Untersuchungen an Lithiumübergangsmetallfluoriden bildeten einen Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre. Dabei gelang es, verschiedene ternäre [4]-[6] und quaternäre Verbindungen [7]-[9] zu synthetisieren und deren elektrochemisches Verhalten sehr grundlegend zu studieren [10]. So konnte anhand dieser Arbeiten gezeigt werden, dass die strukturelle Stabilität durch die intrinsischen Eigenschaften der Wirtstruktur des Fluorids bestimmt wird, ohne dass dadurch das elektrochemische Verhalten signifikant beeinflusst wird [11]. So liegt z.B. die Lade- bzw. Entladespannung von LiCaFeF6 im selben Bereich wie LiMnFeF6 oder LiNiFeF6, die Volumenänderung während des Zyklierens ist jedoch aufgrund der Struktur des Colquiriits deutlich geringer.

 

In der Arbeitsgruppe von Prof. Kamlah waren die bisherigen Arbeiten mit Bezug zu den Projektzielen ausgerichtet auf die Modellierung des elektronischen Transports im Elektrodenverbunden bei Berücksichtigung der Wechselwirkung mit mechanischen Effekten [12], [13]. Mittels eines in der Gruppe entwickelten Softwarepakets können in mehrphasigen granularen Materialien perkolierte Cluster einer bestimmten Phase identifiziert werden. Mit Finite-Elemente-Rechnungen wurde für den Widerstand zweier Partikel in Kontakt ein Gesetz in Abhängigkeit von Partikel- und Kontaktradius ermittelt. Damit lässt sich einer perkolierten Partikelphase ein Widerstandsnetzwerk zuordnen, dessen effektive Leitfähigkeit mit den Kirchhoffschen Gesetzen ermittelt wird. Ein in der Gruppe entwickelter Diskrete-Elemente-Code ermöglicht es, die Veränderung der Kontaktbedingungen mit der mechanischen Belastung (Kalandrierung, durch Interkalation induziertes Schwellen) zu erfassen. Als Ergebnisse konnte für monomodale Verbunde aus Aktivmaterial- und Leitrußpartikeln berechnet werden, wie sich die effektive elektronische Leitfähigkeit einer Elektrode in Folge von Kalandrierung und interkalationsinduziertem Schwellen der Aktivmaterialpartikel entwickelt. Insbesondere hat sich gezeigt, dass bei Interkalationsdehnungen, die zu einer Perkolationswahrscheinlichkeit von 50% in der Leitrußphase führen, fast alle Partikel des Aktivmaterials elektronisch an den Ableiter angebunden sind. In zwei Arbeiten [14], [15] wurden ein Kriterium für das Versagen von Partikeln in einem Schüttbett hergeleitet und in den DEM-Code der Gruppe implementiert. Als Ergebnis konnte damit modelliert werden, wie sich Partikelversagen in einem einphasigen, monomodal Schüttbett ausbreitet bei einachsigem mechanischem Druck.

 

 

Literatur

[1] A. M. Dreizler, N. Bohn, H. Geßwein, M. Müller, J. R. Binder, N. Wagner, K. A. Friedrich, "Investigation of the Influence of Nanostructured LiNi0.33Co0. 33Mn0.33O2 Lithium-Ion Battery Electrodes on Performance and Aging," J. Electrochem. Soc., 165, A273-A282, 2018.

[2] M. Schroeder, S. Glatthaar, and J. R. Binder, “Influence of spray granulation on the properties of wet chemically synthesized Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3 (LATP) powders,” Solid State Ionics, vol. 201, no. 1, pp. 49–53, 2011.

[3] M. Schroeder, S. Glatthaar, H. Gesswein, V. Winkler, M. Bruns, T. Scherer, V. S. K. Chakravadhanula, and J. R. Binder, “Post-doping via spray-drying: a novel sol–gel process for the batch synthesis of doped LiNi0.5Mn1.5O4 spinel material,” J. Mater. Sci., vol. 48, no. 9, pp. 3404–3414, 2013.

[4] G. Lieser, M. Schroeder, H. Geßwein, V. Winkler, S. Glatthaar, M. Yavuz, and J. R. Binder, “Sol-gel processing and electrochemical characterization of monoclinic Li3FeF6,” J. Sol-Gel Sci. Technol., vol. 71, no. 1, pp. 50–59, 2014.

[5] G. Lieser, L. de Biasi, M. Scheuermann, V. Winkler, S. Eisenhardt, S. Glatthaar, S. Indris, H. Gesswein, M. J. Hoffmann, H. Ehrenberg, and J. R. Binder, “Sol-Gel processing and electrochemical conversion ofinverse spinel-type Li2NiF4,” J. Electrochem. Soc., vol. 162, no. 4, pp. A679–A686, 2015.

[6] G. Lieser, V. Winkler, H. Geßwein, L. de Biasi, S. Glatthaar, M. J. Hoffmann, H. Ehrenberg, and J. R. Binder, “Electrochemical characterization of monoclinic and orthorhombic Li3CrF6 as positive electrodes in lithium-ion batteries synthesized by a sol–gel process with environmentally benign chemicals,” J. Power Sources, vol. 294, pp. 444–451, 2015.

[7] G. Lieser, C. Dräger, M. Schroeder, S. Indris, L. de Biasi, H. Geßwein, S. Glatthaar, H. Ehrenberg, and J. R. Binder, “Sol-gel based synthesis of LiNiFeF6 and its electrochemical characterization,” J. Electrochem. Soc., vol. 161, no. 6, pp. A1071–A1077, 2014.

[8] G. Lieser, L. de Biasi, H. Gesswein, S. Indris, C. Dräger, M. Schroeder, S. Glatthaar, H. Ehrenberg, and J. R. Binder, “Electrochemical characterization of LiMnFeF6 for use as positive electrode in lithium-ion batteries,” J. Electrochem. Soc., vol. 161, no. 12, pp. A1869–A1876, 2014.

[9] G. Lieser, C. Dräger, L. de Biasi, S. Indris, H. Geßwein, S. Glatthaar, M. J. Hoffmann, H. Ehrenberg, and J. R. Binder, “Direct synthesis of trirutile-type LiMgFeF6 and its electrochemical characterization as positive electrode in lithium-ion batteries,” J. Power Sources, vol. 274, pp. 1200–1207, 2015.

[10] L. de Biasi, G. Lieser, J. Rana, S. Indris, C. Dräger, S. Glatthaar, R. Mönig, H. Ehrenberg, G. Schumacher, J. R. Binder, and H. Geßwein, “Unravelling the mechanism of lithium insertion into and extraction from trirutile-type LiNiFeF6 cathode material for Li-ion batteries,” CrystEngComm, vol. 17, no. 32, pp. 6163–6174, 2015.

[11] G. Lieser, “Synthese und Charakterisierung von Lithiummetallfluoriden als positive Elektrodenmaterialien für Lithiumionenbatterien,” Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, 2015.

[12] J. Ott, B. Völker, Y. Gan, R. M. McMeeking, and M. Kamlah, “A micromechanical model for effective conductivity in granular electrode structures,” Acta Mech. Sin. Xuebao, vol. 29, no. 5, pp. 682–698, 2013.

[13] J. Ott, “Modelling the Microstructural and Micromechanical Influence on Effektive Properties of Granular Electrode Structures,” Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, 2015.

[14] S. Zhao, Y. Gan, and M. Kamlah, “Failure initiation and propagation of Li4SiO4 pebbles in fusion blankets,” Fusion Eng. Des., vol. 88, no. 1, pp. 8–16, 2013.

[15] R. K. Annabattula, Y. Gan, S. Zhao, and M. Kamlah, “Mechanics of a crushable pebble assembly using discrete element method,” J. Nucl. Mater., vol. 430, no. 1–3, pp. 90–95, 2012.