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Die Batterietechnologie hat einen langen Weg zurückgelegt, seit vor über zwei Jahrhunderten die rudimentäre Voltasäule entwickelt wurde. Die bahnbrechende Innovation der Lithium-Ionen-Batterie und die daraus resultierenden Verbesserungen haben die Nutzung und Zugänglichkeit der Elektronik, insbesondere auf dem Verbrauchermarkt, verbessert. Elektronik ist heutzutage tragbarer, erschwinglicher und dank wiederaufladbarer Batterien oder Sekundärbatterien auch nachhaltiger geworden.
Die Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten ist ein weiterer Grund dafür, dass die Forschung im Bereich der Energiespeicherung, insbesondere der Batterien, derzeit ein heißes Thema ist. Beispielsweise waren Drohnen noch vor einem Jahrzehnt die Domäne des militärisch-industriellen Komplexes, heute dagegen gehört eine Drohne mit Kamera zur Standardausrüstung fast aller erfolgreichen Fotografen und Influencer. Dank einer verbesserten Akkulaufzeit und kosteneffizienteren Materialien ist eine Drohne mittlerweile für einen großen Teil der Zivilbevölkerung erschwinglich geworden.
Diese Art des Umbruchs findet auch in größeren, profitableren Märkten statt. Tesla, eine Marke, die dank ihrer technologischen Innovationen und ihrer Öffentlichkeitsarbeit für Schlagzeilen sorgt, hat bisher noch einen kleinen, jedoch wachsenden Anteil am gesamten Automobilmarkt. Der Erfolg von Tesla hat dazu geführt, dass andere etablierte Marken erkannt haben, dass eine Abkehr von herkömmlichen Verbrennungsmotoren lukrativ sein kann. Volvo und Ford haben sich verpflichtet, bis 2030 "vollelektrisch" zu fahren [1]. General Motors (GM) hat sich verpflichtet, bis 2035 nicht nur elektrisch zu fahren, sondern für sein Unternehmen bis 2040 Klimaneutralität zu erreichen [2].
Der Automobilmarkt ist ein herausragendes Beispiel für eine Branche, die ihren Sektor drastisch umstellen wird - von der Herstellung bis zum Vertrieb - und dies wird auch in vielen anderen Branchen geschehen, da Regierungen und Verbraucher sich stärker auf den Klimawandel und erneuerbare Energiequellen konzentrieren. Um diese Veränderungen zu ermöglichen, sind präzise und skalierbare Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich und die Suche nach verbesserten Energiespeicherlösungen steht dabei im Mittelpunkt dieser Veränderungen.
Die Elektrochemie war der Schlüssel zur Entdeckung der Energiespeicherung und ist die etablierte Technik der Wahl für zukünftige Innovationen.
Elektrochemische Charakterisierungstechniken für Lithium-Ionen-Batterien
Im ersten Teil dieser Serie, haben wir verschiedene Techniken zur Analyse der Zusammensetzung und Reinheit von Elektrodenmaterialien und Lithiumsalzen sowie zur genauen Bestimmung des Wassergehalts in den Batteriematerialien eingeführt.
Optimieren Sie Ihre Batterieforschung und Produktion – Teil 1
In diesem Artikel stellen wir Techniken vor, die die Charakterisierung multipler Eigenschaften des elektrochemischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien mit Hilfe eines hochpräzisen Potentiostat/Galvanostaten ermöglichen. In einigen Fällen unterscheiden sich die Techniken in der Wahl des Betriebsmodis auf die Durchführung des Experiments (d. h. potentiostatisch oder galvanostatisch). Die dabei zusätzlich gesammelten Informationen liefern ein vollständigeres Bild des Batterieverhaltens.
Galvanostatische intermittierende Titrationstechnik (GITT)
Eine der ersten Techniken, die Forschern zur Verfügung stand, um die Eigenschaften von Batterieelektrodenmaterialien zu untersuchen, ist die galvanostatische intermittierende Titrationstechnik (GITT). Diese Technik wird normalerweise an einer Halbzelle durchgeführt und besteht aus einer Reihe von Strompulsen, gefolgt von einer Relaxationszeit. Sie liefert Informationen über die thermodynamischen Eigenschaften und Elektrodenmaterialien einschließlich des kritischen Diffusionskoeffizienten. All diese Informationen ermöglichen ein besseres Verständnis des elektrochemischen Verhaltens, das von den Materialien erwartet werden kann.
Wenn Sie weitere Informationen zu diesem Thema suchen, steht Ihnen hier unser kostenloses Application Note als Download zur Verfügung.
Potentiostatische intermittierende Titrationstechnik (PITT)
Die potentiostatische intermittierende Titrationstechnik (PITT) ähnelt der oben beschriebenen GITT-Technik, der PGSTAT wird jedoch im potentiostatischen Modus betrieben. An das System wird eine Reihe von Potentialpulsen angelegt und der Strom als Funktion der Zeit gemessen. Sowohl GITT als auch PITT sind in der Lage, den Diffusionskoeffizienten genau zu bestimmen.
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Wenn Sie einen PGSTAT im galvanostatischen Modus verwenden, können Sie auch die Leistung von Li-Ionen-Batterien charakterisieren, indem Sie verschiedene Stromraten verwenden und während mehrerer Zyklen laden und entladen, was umgangssprachlich als „Cycling" bezeichnet wird. Mit dieser Technik können Forscher das Verhalten der Lade-Rate (rate performance) der Li-Ionen-Batterie, ihre Kapazität und die damit verbundene Leistungs- und Energiedichte ermitteln. Dies ist die am häufigsten verwendete Technik in der Batterieforschung. In der Regel wird ein Konstantstrom-Konstantspannungs-Methode (CC/CV, constant current constant voltage) angewandt, um sicherzustellen, dass eine Batterie vollständig aufgeladen ist, während gleichzeitig eine Überladung der Batterie vermieden wird.
Erfahren Sie mehr über die Charakterisierung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien durch Zyklisierung, indem Sie dieses kostenlose Application Note downloaden.
Galvanostatische Auf- und Entladung eines Li-Ionen-Akkus mit Autolab
CC/CV ist der Industriestandard für das Laden von Li-Ionen-Batterien. Der PGSTAT arbeitet bei dieser Messung sowohl im galvanostatischen als auch im potentiostatischen Modus. Galvanostatische Zyklen werden innerhalb eines sicheren Potentialfensters durchgeführt, in dem der Elektrolyt stabil ist. Jede geringfügige Abweichung von der Potenzialgrenze kann zu einer schlechteren Zykluslebensdauer führen.
Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bietet zusätzliche Daten und damit einen besseren Einblick in das Verhalten und die potenzielle Leistung der Batterie. Hierzu werden zunächst galvanostatische Lade-/Entladezyklen durchgeführt und dann die EIS, als leistungsstärkste und häufig in der aktuellen Batterieforschung eingesetzte Technik, hinzufügt. Mit der EIS kann das hochdynamische Verhalten einer Batterie und die Diffusion von Ionen an den Grenzflächen charakterisiert werden. In einem einzigen experimentellen Verfahren, das einen breiten Frequenzbereich abdeckt, kann der Einfluss der maßgeblichen physikalischen und chemischen Phänomene isoliert und bei einem bestimmten Frequenzbereich und Ladezustand unterschieden werden. Mit der EIS ist es möglich, die interne Impedanz der Batterie zu messen, diese dann mithilfe eines Ersatzschaltbildes abzubilden und den Beitrag der Batteriekomponenten zur Gesamtimpedanz der Zelle zu verstehen.
Für die EIS-Bestimmung von Batterien ist es wichtig, eine Vierleiter-Messanordnung zu verwenden, um den Beitrag der Kabel/Leitungen zur Gesamtimpedanz zu vermeiden. Dies ist für jedes elektrochemische System mit niedriger Impedanz wichtig. Erfahren Sie mehr über diesen Aspekt, indem Sie unsere kostenlosen Application Notes downloaden.
Metrohm Autolab DuoCoin Zellenhalter mit EIS-Messungen an einer handelsüblichen Batterie
Mit der EIS ist es möglich, die Tortuosität der Batterieelektroden durch die Ebene zu bestimmen, die zusammen mit der Gesamtelektrolytleitfähigkeit, der Li-Ionen-Überführungszahl des Batterieelektrolyten, und dem Diffusionskoeffizient des Elektrolyten einen guten Hinweis auf die Praxistauglichkeit einer bestimmten Batteriechemie für Hochleistungsanwendungen gibt. Darüber hinaus spielen die Massentransportbegrenzung des Batterieseparators und seine Ionenleitfähigkeit eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung der Batterien.
Durch die Bestimmung der MacMullin-Zahl können Forscher die Qualität der Separatoren für ihre Anwendung in bestimmten Li-Ionen-Zellen bestimmen.
Weitere Informationen zu diesen Themen erhalten Sie über den Download unserer kostenlosen Application Notes.
Bestimmung der Lithiumionen-Überführungszahl eines Batterieelektrolyts mittels VLF-EIS
Bestimmung des binären Diffusionskoeffizienten eines Batterieelektrolyten
Wenn Sie mehr über dieses Thema erfahren möchten, nutzen Sie den Download unseres kostenlosen White Papers, das von den Entwicklern elektrochemischer Messgeräte bei Metrohm Autolab verfasst wurde. Dieses Dokument enthält zusätzliche Informationen über anwendbare elektrochemische Techniken und nützliche Definitionen zu Begriffen, die für die Forschung und Entwicklung von Li-Ionen-Batterien relevant sind.
Ein Leitfaden zu Forschung und Entwicklung im Bereich Lithium-Ionen-Akkus
