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22. – 24.01.2020, Ritz-Carlton, Berlin

Posterabstracts

Inhaltsverzeichnis

Additive – kleine Menge, große Wirkung sowie weitere Themen

3

Erfolgsfaktoren für eine Zellfertigung sowie weitere Themen

10

Elektrisches Fliegen sowie weitere Themen

33

Kompetenzcluster FestBatt sowie Arbeiten zu Festkörperbatterien

44

Engineering von Aktivmaterialien 63

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sowie weitere Themen

Additive – kleine Menge, große Wirkung

4Batterieforum Deutschland 22. - 24.01.2020, Berlin


ProjektEXIST - Forschungstransfer: E-Lyte

Förderkennzeichen03EFMNW209

RessortBMWi

Autoren des PostersBeltrop, K. (University of Münster, MEET Battery Research Center / E-Lyte Innovations GmbH), Röser, S. (University of Münster, MEET Battery Research Center / E-Lyte Innovations GmbH), Wagner, R. (University of Münster, MEET Battery Research Center / E-Lyte Innovations GmbH), Staiger, S. (University of Münster, MEET Battery Research Center / E-Lyte Innovations GmbH), Winter, M. (University of Münster, MEET Battery Research Center / E-Lyte Innovations GmbH / Helmholtz-Institute Münster, IEK-12 Forschungszentrum Jülich)

AbstractIn recent years, the lithium ion battery (LIB) has conquered many new applications such as automotive, medical engineering, consumer electronics, robotics or aviation. Each application places different demands on the battery. Some applications require a longer life, high safety, other applications require high power or have a high energy demand. Due to the different materials used in LIBs, not all requirements can be met by one battery setup. Therefore, an adjustment of the LIB is required to address each application with maximum efficiency.[1] In this regard, the development of tailor-made electrolyte solutions, which strongly depend on the specific field of application and the corresponding cell chemistry, is a key strategy for success. The electrolyte as heart blood of the battery interconnects anode and cathode, enabling the batteries functionality by ensuring a rapid transport of ionic charge carriers within the cell as well as the formation of essential interphases. A very promising approach lies in the addition of small amounts of functional components into the electrolyte system to tailor specific targeted properties of the electrolyte without changing the bulk properties.[2] So called “additives” can, for example, generate desired electrode/electrolyte interphase, which can reduce chemical/electrochemical side reactions. In addition, electrolyte properties such as electrochemical stability, ionic conductivity and thermal stability can also be modified. Due to the considerably reduced amount of only a few percent, the use of additives within the electrolyte seems to be the most beneficial, economical and effective method to improve the overall battery performance. In order to identify the most beneficial synergistic effects of electrolyte components such as solvents, salt and additives, E-Lyte Innovations uses a sophisticated High Throughput Screening (HTS) approach. Here, we report on the stabilization of the electrode/electrolyte interface in a graphite/SiOx||NMC622 system using efficient film-forming electrolyte additives aiming to increase the specific discharge capacity, Coulombic efficiency and capacity retention. Furthermore, the effect of tailoring electrolyte specifications to increase the electrochemical performance at low temperatures is presented. [1] Schmuch, R.; Wagner, R.; Hörpel, G.; Placke, T.; Winter, M., Nature Energy, 3 (2018) 267. [2] Haregewoin, A. M.; Wotango, A. S.; Hwang, B.-J., Energy Environmental Science, 9 (2016) 1955.

AD01

Tailor-Made Electrolyte Solutions by E-Lyte Innovations for Advanced Lithium Ion Batteries: Towards Sustainable Electrochemical Energy Storage - Everywhere and Anytime


Additive – kleine Menge, große Wirkung sowie weitere ThemenAD02

Interphasial and Thermal Reactivity Investigation of Silicon-Graphite Composite Anode Electrodes

Autoren des PostersAupperle, F. (HI MS, Forschungszentrum Jülich), von Aspern, N. (HI MS, Forschungszentrum Jülich), Berghus, D. (MEET, WWU Münster) Weber, F. (HI MS, Forschungszentrum Jülich), Eshetu, G. G. (ISEA, RWTH Aachen) Winter, M. (HI MS, Forschungszentrum Jülich / MEET, WWU Münster), Figgemeier, E. (HI MS, Forschungszentrum Jülich / ISEA, RWTH Aachen)

AbstractNowadays, lithium-ion batteries (LIBs) represent the most widely used secondary battery. They stand out because of their energy and/or power density and play an important role in the further development of electric mobility and mobile applications (e.g. laptops, cellphones, power tools, etc). To fulfill the needs for the next-generation high-capacity LIBs, Silicon (Si) and its derivatives (e.g. Si/C, Si-rich SiOx, x ≤ 1) have gained huge attention as anode materials.[1,2] However, despite the beneficial features such as low cost and high capacity, Si shows limited cycle life, huge volume changes during (de-) alloying, low Coulomic efficiency, unstable SEI, etc. One strategy to overcome these problems is to modify, with the help of small doses of electrolyte additives, the chemical nature, and features of the solid electrolyte interface (SEI) layer. Because the SEI layer is directly linked to the cycle life, obtainable capacity, Coulomic in/efficiency, thermal reactivity, etc. of a LIB system, it is an effective, economical, and scalable approach to large scale commercialization of Si anode based LIBs.[3]

In this context, we report an in-depth investigation of several electrolyte additives, namely fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), tetraethyl orthosilicate (TEOS), and (2-Cyanoethyl)triethoxysilane (TEOSCN), and a blend of FEC, VC, and TEOSCN with the help of electrochemical analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), density functional theory (DFT) calculations, and differential scanning calorimetry (DSC). The surface characterization revealed the composition, relative thickness of the SEI layer harvested from the different additives. It has also shown that the blend of FEC, VC, and TEOSCN resulted in a thinner, inorganic rich, and high thermal stable SEI layer. This could be explained by the polymerization reaction of −C=N to C=N double and C−N single bonds, yielding a more chemically stable and highly ionically conductive SEI layer. Furthermore, the ternary additive resulted in a higher amount of LiF, which can be explained by the possible attack of the C=N reduction strong nucleophiles on FEC and/or LiPF6 to form LiF as the XPS analysis is showing. References: [1] https://doi.org/10.1021/cr500207g. [2] https://doi.org/10.1002/cssc.201900209. [3] https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01094.



Natriumborosilikatglas-Separatoren als Elektrolyt-Additiv Donator zur Verbesserung der elektrochemischen Leistungs- fähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien

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Autoren des PostersSchadeck, U.[1,3,5], Hahn, M.[2,4], Gerdes, T.[1,3] , Krenkel, W.[3], Danzer, M. A.[2,4,5], Moos, R.[4,5,6] [1] Lehrstuhl Keramische Werkstoffe, Keylab Glastechnologie, Universität Bayreuth [2] Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme, Universität Bayreuth [3] Lehrstuhl Keramische Werkstoffe, Universität Bayreuth [4] Bayerisches Zentrum für Batterietechnik (BayBatt), Universität Bayreuth [5] Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth [6] Lehrstuhl für Funktionsmaterialien, Universität Bayreuth

AbstractSeparatoren für Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage überwiegend polymer-basiert und sind eine chemisch passive Zellkomponente. In dieser Studie werden diese Separatoren durch ultradünne Mikrometer-Glasflakes ersetzt. Das besondere hierbei ist die Wechselwirkung des Separatorenglases mit dem Batterieelektrolyten. Dabei werden Ionen aus dem Glas durch Fluor-Wasserstoffsäure (HF) ausgewaschen, die typischerweise in LiPF6-haltigen Elektrolyten enthalten ist. Die Ionen wirken als Elektrolyt-Additiv, welches seine Wirkung „in vivo“ über viele hundert Be- und Entladungen entfalten kann und einen positiven Einfluss auf elektrochemische Parameter der Batteriezelle zeigt. Zur Vergleichbarkeit der jeweiligen zellalterabhängigen elektrochemischen Charaktistika werden Versuchszellen mit Separatoren verschiedener Glaszusammensetzungen untersucht und mit einem handelsüblichen Separator auf Polymerbasis verglichen. Die Separatoren werden in einer Graphit | Lithium-Eisenphosphat-Vollzellen-Konfiguration getestet. Es werden Lade /Entladetests bei verschiedenen C-Raten bis 10C, Post-Mortem-Analysen, impedanz-spektroskopische Messungen und Analysen mittels der DRT-Methode durchgeführt, um die spezifischen Einflüsse auf die Zellalterung zu analysieren. Es wird gezeigt, dass die Ionen aus einem Natriumborosilikatglas neben dem positiven Nebeneffekt der HF-Getterung eine Modifikation der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) in Bezug auf ihre Leitfähigkeit bewirken und damit die Schnellladefähigkeit verbessern und gleichzeitig die Alterung der Batteriezelle verringern.

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Towards Fundamental Understanding of the Reaction Mechanism of Electrolyte Additives by In situ Gas Formation Analysis in Multilayer Pouch Bag Cells Equipped with a Gas Sampling Port


Autoren des PostersSchmiegel, J. P.; Leissing, M.; Nowak, S.; Placke, T. (University of Münster, MEET Battery Research Center); Winter, M. (University of Münster, MEET Battery Research Center, Helmholtz Institute Münster, IEK-12, Forschungszentrum Jülich GmbH)

AbstractLithium ion batteries (LIBs) are the most promising candidate to replace the fossil fuels in conventional means of transportation. However, for the application in electric vehicles targeting driving ranges above 500 km, energy contents up to 350 Wh/kg and 750 Wh/L at cell level are required, consequently, improvements of both electrodes and the electrolyte likewise, are obligatory to achieve the above-mentioned energy densities while still exhibiting a sufficient cycle life.[1] On the material level these improvements can be achieved by replacing the state-of-the-art electrode materials with new electrode materials with improved capacity, operation voltage and capacity retention. The capacity of the negative electrode can be increased by replacing intercalation-type graphite, by alloying-type silicon (Si), which is able to provide an almost 10 times higher specific capacity, compared to graphite. Whereas, Ni-rich or high-voltage NMC-based cathode materials are established as next generation of positive electrode materials, delivering higher discharge capacities. However, this increase in discharge capacity with both electrode materials is at the detriment of the cycling stability.[2,3]

A variety of electrolyte additives to act as interphase-forming agent (SEI/CEI), to hinder the capacity fading of these new electrode materials has been studied.[4] In order to elucidate the working mechanism of these compounds, mass spectrometry (MS) analysis of gaseous products is performed in literature, usually using a custom-made cell setup or cell housing for these kind of measurement.[5]

Within this work, a gas sampling port (GSP) is included in a commercial multilayer pouch cell in a simple post-production process, while only commercially available parts were used, and evaluated towards practicability within electrolyte additive research. A voltage-dependent identification and separation of the formation gases was achieved, while a correlation between the dQ/dV peaks and the onset of gas evolution was observed. Upon addition of a SEI-forming additive, especially, the amount of ethene decreases within the sample. Besides the commonly used ex situ techniques, in situ gas analysis is a powerful method to elucidate the working mechanism of electrolyte additives under commercial relevant conditions, i.e. with a limited amount of electrolyte per cell capacity. [1] J. Mater. Chem. A 5,2017 17174 [2] Chem. Rev. 114, 2014, 11444 [3] J. Electrochem. Soc. 164,2017 A1361 [4] J. Electrochem. Soc. 166,2019 A2910 [5] J. Electrochem. Soc. 165,2018 A3304

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ProjektLiBEST – Lithium-ion Battery with High Electrochemical Performance and Safety Technologies

Förderkennzeichen03XP0133C

RessortBMBF

Autoren des PostersVinograd, A.; Röser, S.; Placke, T. (University of Münster, MEET Battery Research Center); Winter, M. (University of Münster, MEET Battery Research Center / Helmholtz-Institute Münster)

AbstractThe broad commercial application of high capacity silicon (Si)-based anodes for lithium ion batteries (LIBs) is still hindered by their poor cycling stability caused by large volume changes upon lithiation/delithiation and by the associated continuous electrolyte decomposition and active lithium loss. One suitable strategy to improve the electrochemical performance is to develop improved electrolyte formulations resulting in an efficient solid electrolyte interphase (SEI) formation.[1] A recent study[2] has shown that the addition of 2 wt-% of 3-methyl-1,4,2-dioxazol-5-one (MDO) to a propylene carbonate (PC)-based electrolyte can significantly improve the cycling stability of lithium nickel manganese cobalt oxide NMC532 | graphite full cells. Since electrolytes, based only on PC, do not lead to the formation of a stable SEI at the negative electrode, the addition of MDO can be linked to an increased SEI stability, which is necessary for a high cycling stability. Altering the side chain of MDO to a phenyl-group led to 3-Phenyl-1,4,2-dioxazol-5-one (PDO), which improved the impact of the additive on the electrochemical performance of NMC622 | graphite cells.[3]

In this study, we develop a systematic approach to investigate the electrochemical performance of MDO and its various side chain modified derivatives as additives for carbonate-based electrolytes in silicon-based LIB cells. Our results show that the addition of MDO improves the cycling stability of NMC622 Si-C cells in comparison to the state-of-the-art additives, such as vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC). The systematic evaluation of the electrochemical performance of MDO and its analogues, such as PDO, was done in NMC622 | graphite and NMC62 | Si-C full-cells. Area specific impedance measurements are performed to characterize the buildup of cell resistance and linear sweep voltammetry is used to evaluate the oxidative stability of the novel electrolyte additives. The improved electrochemical performance of the side chain modified MDO derivates can be correlated to the structural alterations. [1] Nölle, R. ; Achazi, A. J.; Kaghazchi, P.; Winter, M.; Placke, T., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 28187-28198 [2] Röser, S.; Lerchen, A.; Ibing, L.; Cao, X.; Kasnatscheew, J.; Glorius, F.; Winter, M.; Wagner, R., Chem. Mater. 2017, 29, 7733-7739 [3] Hall, D. S.; Hynes, T.; Dahn, J. R., J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A2961-A2967

AD05

Development of Novel SEI-forming Electrolyte Additives for Improved Performance of Silicon-based Lithium Ion Cells



ProjektExZellTUM II – Exzellenzzentrum für Batteriezellen an der Technischen Universität München

Förderkennzeichen03XP0081

RessortBMBF

AD06

Neutron & X-ray diffraction studies of graphite anodes conducted at FRM II


Autoren des PostersSeidlmayer, S.; Wilhelm, J.; Hofmann, M.; Jossen, A.; Gilles, R. (Technische Universität München)

AbstractCurrent state of the art lithium ion batteries typically use graphite as an anode material. Understanding the dynamical processes during lithiation and delithiation is crucial for comprehending performance and degradation.[1] Especially due to the detrimental effects of fast charging or charging at low temperatures. Many aging processes, like lithium plating, depend intrinsically on the lithiation properties. Lithium plating enhances cell aging and imposes a security issue in commercial cells.[2] Detailed understanding of the material properties and the dynamic lithiation processes in commercial type cells is necessary to avoid security issues and performance deterioration due to occurrence of Li plating or phase inhomogeneity.[3-6] In our studies of graphite/NMC cells with operando neutron diffraction we found that intermittent Li plating and phase inhomogeneity in graphite anodes can be observed even under unexpectedly mild conditions, although the effects are often hidden due to the fast relaxation processes at room temperature.[7] Within the ExZellTUM II project (funded by BMBF, grant no. 03XP0081), we recently studied the temperature and current density dependence and the lithiation dynamics with neutron diffraction.[8] The combination of neutrons with post-mortem x-ray diffraction[9] helps gaining a good understanding of the lithiation process in large batteries. [1] Zhang et al., Electrochim. Acta, (2002), 48(3), 241. [2] Legrand, N.; Knosp, B.; Desprez, P.; Lapicque, F.; Rael, S., Journal of Power Sources, (2014), 245, 208. [3] Yang, X. G.; Leng, Y. J.; Zhang, G. S.; Ge, S. H.; Wang, C. Y., Journal of Power Sources, (2017), 360, 28. [4] Uhlmann, C.; Illig, J.; Ender, M.; Schuster, R.; Ivers-Tiffée, E., Journal of Power Sources, (2015), 279, 428. [5] von Lüders, C.; Zinth, V.; Erhard, S. V.; Osswald, P. J.; Hofmann, M.; Gilles, R.; Jossen, A., Journal of Power Sources, (2017), 342, 17. [6] Waldmann, T.; Hogg, B.-I.; Wohlfahrt-Mehrens, M., Journal of Power Sources, (2018), 384, 107. [7] Zinth et al., Journal of Power Sources, (2014), 271, 152. [8] Wilhelm et al., Journal of the Electrochemical Society, (2018), 165, A1846. [9] Wilhelm et al., Journal of Power Sources, (2017), 365, 327.

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Erfolgsfaktoren für eine Zellfertigung



ProjektHighEnergy BEST – Beschichtung, Trocknung und neue Stapelbildungsverfahren für High-Energy-Zellen

Förderkennzeichen03XP0073B

RessortBMBF

ZF01

Coil2Stack: Hochintegriertes Verfahren zur flexiblen Zellstapelbildung


Autoren des PostersWeinmann, H. W.; Schmidgruber, N.; Fleischer, J. (Karlsruher Institut für Technologie)

AbstractDie Lithium-Ionen Batteriezelltechnologie unterliegt einer stetigen Weiterentwicklung der Energie- und Leistungsdichten und erschließt so zunehmend neue Anwendungsfelder. Ein Hindernis bei der Implementierung stellen disktrete Zellformate dar, welche aufgrund von Bauraumrestriktionen oft nicht effizient in gegebene Strukturen integriert werden können. Der steigenden Nachfrage nach individuellen Zellformaten kann gegenwärtig aufgrund von starr verketteten Produktionslinien nicht adäquat entgegnet werden, da Produktionsanlagen derzeit nicht hochwirtschaftlich und zugleich flexibel operieren können. Am wbk – Institut für Produktionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie wurde ein innovatives Verfahren Coil2Stack entwickelt, welches dieses Defizit adressiert. Das Verfahren wurde basierend auf experimentellen und simulativen Wirkzusammenhangs-untersuchungen abgeleitet und ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von Zellstapeln unter höchstmöglicher Flexibilität. Gegenstand der Untersuchungen waren neben der beschädigungsfreien Materialführung auch die Vereinzelung sowie die eigentliche Stapelbildung. Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen waren die Grundlage für das endgültige Anlagenmoduldesign sowie die einzustellenden Prozessparameter bei der Herstellung mit dem Ziel, einen, in Abhängigkeit des Materials, optimalen Zellstapel herzustellen. Im Ergebnis steht ein Anlagenmodulkonzept welches Elektroden- und Separatorblätter variabler Breiten und Längen effizient zuschneiden und präzise aufeinander Stapeln kann. Die Länge der herzustellenden Einzelblätter kann im Bereich von 100 bis 330 mm frei gewählt werden. Die Breite der Blätter lässt sich über die Coil-Breite variieren. Darüber hinaus ist die Position der Einzelblätter bei der Ablage selbst variabel. Diese kann beliebig definiert werden, wodurch beispielsweise trapezförmige oder stufenförmige Stapel denkbar sind. Coil2Stack bietet die Möglichkeit zur Differenzierung gegenüber asiatischen Anlagenherstellern. Das Verfahren bietet ein einzigartiges Alleinstellungsmerkmal für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau und ermöglicht eine Abgrenzung von den standardisierten asiatischen Batteriezellen.

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ProjektHighEnergy – Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden


RessortBMBF

Autoren des PostersDiehm, R.; Kumberg, J.; Scharfer, P.; Schabel, W. (Karlsruher Institut für Technologie)

AbstractLithium-Ionen-Batterien sind eine der wichtigsten Technologien zur Energiespeicherung in der Elektromobilität. Begrenzend wirken die hohen Kosten der Energiespeichersysteme, insbesondere die Kosten der Batteriezellen. Eine Möglichkeit die Kosten von Lithium-Ionen-Batteriezellen zu senken besteht darin, den Durchsatz im Fertigungsprozess zu erhöhen. Um Vorteile bei sehr hoher Verdichtung sowie beim Zellstapeln zu erzielen, wird in der Industrie häufig eine intermittierende Beschichtung der Elektroden eingesetzt, die jedoch die Produktionsgeschwindigkeit begrenzt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Mechanismen der intermittierenden Schlitzdüsenbeschichtung von Batteriesuspensionen. Um schnelle intermittierende Beschichtungen bis zu 150 m/min Bahngeschwindigkeit zu ermöglichen, wurde eine neuartige Technologie entwickelt, die es ermöglicht, den Filmauftrag innerhalb von Millisekunden zu starten und zu stoppen. Daher werden Fluiddruckprofile innerhalb der Schlitzdüse gemessen, um Informationen über den Auftragsverlauf zu erhalten. Zusätzlich werden Profile des Nassfilms zur Beurteilung der Beschichtungsqualität gemessen. Basierend auf diesen Informationen werden die Start- und Stoppmechanismen sowie der Einfluss der Beschichtungsgeschwindigkeit und der Nassfilmdicke gezeigt. Die Ergebnisse zeigen den Zusammenhang zwischen Beschichtungsgeschwindigkeit bzw. Nassfilmdicke und der Länge der Start- und Stoppkanten. Die Rampenzeit wird als einer der kritischsten Parameter für die Qualität der Start- und Stoppkanten und damit für die Qualität bei höheren Bahngeschwindigkeiten identifiziert.

ZF02

Intermittierende Elektrodenbeschichtung: Verbesserung der Qualität und Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit durch neuartige Beschichtungstechnologie



ProjektSBM – SmartBatteryMaker

Projektnummer02.095800291

RessortLand Baden-Württemberg

Autoren des PostersSmith, A.; Singer, R.; Sigel, F.; Ehrenberg, H. (Karlsruher Institut für Technologie)

AbstractLithium-Ionen-Batteriezellen werden in der Regel nach standardisierten Formaten hergestellt, welche oft nicht optimal auf das Anwendungsszenario angepasst sind. Während Rund- und Hard-Case-Zellen bedingt durch ihr starres Gehäuse relativ schwer an Bauräume angepasst werden können, sind Pouchfolien-Einhausung prinzipiell flexibel herzustellen. Aber auch hier findet man auf dem Markt weitestgehend nur rechteckige Geometrien. Des Weiteren ist man durch den Tiefziehprozess der Halbschalen auf eine bestimmte maximale Höhe limitiert. In der Regel liegt diese bei 5 bis 6 mm, wobei zwei miteinander versiegelte Halbschalen dann eine Zelldicke von ca. 10 bis 12 mm ergeben können.

Die Arbeitsgruppe Zellfertigung/-tests vom IAM-ESS am KIT beschäftigt sich mit Fragestellungen rund um den Zellbau. Die Expertise besteht darin, Zellen mit industrienaher Qualität in der Größenordnung von 20 Ah in einer semi-automatisierten Handfertigungsanlage im Trockenraum herzustellen. Die Anlagen sind dabei so ausgelegt, dass eine extrem hohe Reproduzierbarkeit der einzelnen Zellfertigungsschritte gewährleistet ist, zugleich jedoch ein hoher Grad an Flexibilität vorhanden ist. Dies erlaubt es uns, sowohl Zellkomponenten zu tauschen, als auch Zellgeometrien anzupassen

Im Rahmen des SmartBatteryMaker-Projekts konnten wir erfolgreich trapezförmige 7,5-Ah-Zellen (siehe Abb.) fertigen. Diese schneiden in Zyklentests genauso gut ab, wie das rechteckige Pendant. Des Weiteren werden Limits und Alternativen der Handhabung von Pouchfolie, also der Verpackung der Zelle, erprobt. In einer Kooperation mit dem Institut für Produktionstechnik (wbk) am KIT wurden Verfahren entwickelt, Pouchfolien noch weiter zu ziehen und die Verpackungs-Halbschalen entsprechend tiefer (bis 10 mm) zu gestalten, sodass ein wesentlich höherer Zellstapel eingehaust und damit eine höhere Energiedichte realisiert werden kann. Beispielsweise wurde so aus der Standard-KIT-20-Ah-Zelle, eine 40-Ah-Zelle hergestellt und im direkten Vergleich gezykelt.

Ergänzend wurde eine Falttechnik erprobt, die ebenfalls eine 40-Ah-Zelle einhausen kann und gänzlich auf den Tiefziehprozess verzichtet. Auch diese Zelle wurde elektrochemisch untersucht und damit das „proof of principle“ gezeigt. Das Ergebnis der Erprobung von formatflexiblen Zellen ist, dass Prototypen für Pouchzellen mit anderen Geometrien sowie dickerem Stapel gut aufgebaut werden können. Neue Zellformate wurden nach der Formierung im Vergleich zur Standardgeometrie Vor-charakterisiert (Ratenfestigkeit, Innenwiderstände) und anschließend in einem Dauertest gezykelt.

ZF03

Herstellung Industrienaher Formatflexibler Pouchzellen


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ProjektPErfektZELL – Prozessqualitätssteigerung durch eine neuartige Erweiterung am Kalander für die Bearbeitung von Batterieelektroden zur Zellherstellung


RessortBMBF

ZF04

In-line-Messung beim Kalandrieren von NMC-622-Kathoden zur Detektion von wrinkles und Dehnungen zur Erweiterung des Prozessverständnisses


Autoren des PostersFleischer, J. (Karlsruher Institut für Technologie - KIT, wbk Institut für Produktionstechnik), Bold, B. (Karlsruher Institut für Technologie - KIT, wbk Institut für Produktionstechnik)

AbstractDie Eigenschaften von Batteriezellen, wie Energiedichte, Leistungsdichte und Kapazität, werden durch das Material bestimmt und bei der Produktion beeinflusst und angepasst. Innerhalb der Elektrodenproduktion ist das Kalandrieren ein wesentlicher Prozessschritt zur Einstellung der volumetrischen Energiedichte. Je höher die Verdichtung beim Kalandrieren, desto höher ist die erreichte Energiedichte, wobei die Materialgrenzen berücksichtig werden müssen. Eine hohe, von der Industrie geforderte, Verdichtung führt zu Fehlerbildern, die sich durch Falten an der Beschichtungskante, den „wrinkles“, und einer Wellenbildung, auch „Schüsseln“ genannt, innerhalb der Beschichtung ausdrückt. Das Poster erläutert umfänglich die Ursachen, der Falten- und Wellenbildung beim Kalandrieren sowie den Zusammenhang der Fehlerbilder zu den Anlagenparameter. Vorgestellt wird ein eigens entwickeltes und aufgebautes Messsystem, das die Falten und die Wellen der Elektrode beim Kalandrieren erkennt und inline erfasst. Die Falten werden geometrisch durch ihre Länge, Breite und einen Winkel beschrieben. Die Wellenbildung wird durch Messung der Dehnungen der Elektrode im dreidimensionalen Raum bestimmt. Das Messsystem ist ein Stereokamerasystem und verarbeitet die Aufnahmen über einen eigenen Algorithmus. Die Verifizierung dessen erfolgt mittels einem optischen Messsystem der Firma gom GmbH. Die Ergebnisse einer statistischen Versuchsplanung werden vorgestellt und die Abhängigkeiten zwischen der Faltenbeschreibung und den Materialdehnungen zu den Prozessparametern dargestellt. Der Aufbau und die Anwendung des Messsystems werden im Rahmen des BMBF-Projekts PErfektZELL durchgeführt. Die Untersuchung der NMC-622-Kathoden erfolgt auf dem Industriekalender des wbk Institut für Produktionstechnik im KIT Batterietechnikum. Schließlich führen die Ergebnisse zu Lösungen effektiver anlagenseitiger Gegenmaßnahmen, um die Auswirkungen von Falten und Wellenbildung zu reduzieren.

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ProjektPErfektZELL – Prozessqualitätssteigerung durch eine neuartige Erweiterung am Kalander für die Bearbeitung von Batterieelektroden zur Zellherstellung

Förderkennzeichen03XP0179D

RessortBMBF

ZF05

Mikrostrukturcharakterisierung von Al-Ableiterfolien zur Erhöhung der Verarbeitbarkeit von hoch verdichteten NMC-Kathoden


Autoren des PostersKopp, A. (Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung /KIT, Fakultät für Maschinenbau), Niedermeier, J. (Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung), Bold, B. (KIT, Institut für Produktionstechnik (wbk)), Bernthaler, T. (Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung), Schneider, G. (Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung)

AbstractUm die Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, werden die Elektrodenfolien nach dem Beschichten mittels Kalanderwalzen verdichtet. Dies hat weitreichende Veränderungen in der Mikrostruktur der Elektroden und Ableiterfolien zur Folge. Die harten Partikel der NMC-Beschichtung (Nickel Mangan Cobalt) werden durch den Verdichtungsprozess in die Aluminiumfolie gepresst, verformen diese und bringen Materialeigenspannungen in die Folie ein. Dadurch wird die Anhaftung der Beschichtung verbessert und die elektrische Anbindung zwischen Stromsammler und Aktivmasse erhöht.

Die Anbindung ist wichtig, um den Innenwiderstand der Zelle so gering wie möglich zu halten. Bei großformatigen Batteriezellen kommen häufig Elektroden mit unbeschichteten Bereichen, die für die Kontaktierung der Ableiter verwendet werden zum Einsatz. Durch die eingebrachten Verformungen kommt es in den unbeschichteten Bereichen der Al-Folien zu einer ausgeprägten Faltenbildung, wodurch die weitere Verarbeitbarkeit der Elektroden massiv beeinträchtigt wird. Teilweise wird eine weitere Verarbeitung unmöglich, da notwendige Toleranzbereiche für das Laserschneiden oder der Kontaktierung nicht eingehalten werden können oder der Transport der Elektroden über die Führungswalzen ohne Beschädigungen der Folien nicht mehr möglich ist. Dadurch ist der Verdichtungsgrad durch die Faltenbildung begrenzt.

Um notwendige Steigerungen in der Kapazität und Leistungsdichte zu erreichen ist eine höhere Verdichtung bei gleichzeitiger Vermeidung der Faltenbildung notwendig. Zum besseren Verständnis der Faltenbildung, sowie der Validierung möglicher Lösungsansätze durch beispielhafte Strukturierung unbeschichteter Bereiche sind belastbare Untersuchungsmethoden zur Bewertung der Mikrostruktur notwendig. Derzeit gibt es hierzu noch keine standardisierten Methoden

Mit dem Einsatz von Laserscanning Mikroskopen (LSM) und Sekundärelektronenmikroskopen (SEM) mit Focused Ion Beam (FIB) zeigen wir, wie die Verformungen der Al-Folie von der Makrostruktur (Partikeleindrücke auf der Folien Oberfläche) bis auf die Mikrostruktur (Kornorientierung innerhalb der Aluminiumfolien) nachvollzogen und quantifiziert werden können. Es werden Elektroden mit unterschiedlicher Verdichtung der Beschichtung und unterschiedlichem Verformungsgrad der Al-Ableiter untersucht. Dadurch werden unterschiedliche Prozessparameter und Lösungsansätze untereinander vergleichbar und es können wichtige Erkenntnisse zur besseren Verarbeitbarkeit hochverdichteter Kathodenfolien gewonnen werden.

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ProjektINSPECTOR – Evaluierung von Off - und Inline-Prüfverfahren zur Qualität von Lithium-Ionen Batterien

Förderkennzeichenk. A.

RessortEFRE

ZF06

Methoden der Materialanalyse zur Bewertung der Qualität von Lithium-Ionen-Batterien


Autoren des PostersNiedermeier, J.; Kopp, A.; Badmos, O.; Bernthaler, T.; Schneider, G. (Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung)

AbstractDie Qualitätssicherung von Batteriezellen kann zu geringeren Ausschussraten und steigender Betriebssicherheit führen. Als Möglichkeit zu einer fertigungsnahen Inspektion oder als Wareneingangskontrolle können bildgebende Verfahren, in Kombination mit auf Deep Learning basierender Bildklassifikation, die elektrische Charakterisierung sinnvoll ergänzen. Zerstörungsfrei bietet die digitale Radiografie (2-dimensionales Röntgen) und die Computertomografie (dreidimensional Pendant) Einblicke ins Zellinnere. Mittels systematischer Vergleiche, mit teils tiefentladenen Powertool Batteriezellen, stellen wir diese Möglichkeiten dar. Beginnend werden alle Batteriezellen radiografisch, sowie ausgewählte zusätzlich computertomografisch analysiert. Eine auffällige Batteriezelle wird unter kontrollierten Bedingungen geöffnet und materialografisch zielpräpariert. Von weiteren Batteriezellen werden ebenfalls Querschliffe produziert, welche für die Entwicklung eines neuronalen Netzes dienen, mit welchem die Schnittebene der Batteriezelle auf potenzielle Fremdpartikel analysiert werden soll.

Die radiografische Messung zeigt bei einer tiefentladenen Zelle eine auffällige Verschobenheit der Elektroden im Zellwickel zueinander. Dieser Versatz wird, relativ zu einer als Referenz dienenden Batteriezelle, anhand der gewonnen Volumina bestimmt. Weiterhin wird mit spezifischer Soft- und Hardware, mittels definierten lateralen Koordinatensystem auf der Querschliffoberfläche, korrelativ vom Lichtmikroskop die bestehende Untersuchung am Rasterelektronenmikroskop fortgeführt. Das für zukünftige automatisierte Analysen von Querschliffoberflächen antrainierte neuronale Netz, zeigt bei einem Testlauf, dass es sehr sensitiv auf Auffälligkeiten reagiert. Für einen ausgereiften, auf Deep Learning basierenden, Algorithmus für eine quantitative Analyse der Querschnittsoberfläche, wird es erforderlich, diesen auf möglichst unterschiedliche Materialzusammensetzungen, anoden- wie kathodenseitig zu trainieren. Ausblickend soll es mit Hilfe dieses Tools möglich sein, die Qualität von Batteriezellen hinsichtlich der Quantifizierung von Kontaminationen oder Schichtdickenschwankungen zu bewerten.

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ProjektQS-Zell – Entwicklung, Integration und Validierung innovativer Prozesse und QS-Methoden in der Produktion großformatiger Lithium-Ionen-Zellen

Förderkennzeichen03XP0076A

RessortBMBF

ZF07

Integration und Validierung innovativer Prozesse auf eine seriennahe Produktion von großformatigen Lithium-Ionen Zellen


Autoren des PostersRößler, S.; Tran, H. Y.; Braunwarth, W. (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW))

AbstractEine der größten Herausforderungen in der Batteriezellproduktion ist die Steigerung der Qualität bei gleichzeitiger Kostensenkung. Die Produktion von Batteriezellen stellt eine Abfolge komplexer Einzelprozesse dar, die sich in sehr unterschiedlicher Art und Weise auf die Gesamtqualität auswirken können. Insbesondere großformatige Lithium-Ionen-Zellen sind bei kleinsten Fehlern in der Herstellung sehr störanfällig. Über die genauen Auswirkungen der Einzelprozesse auf die Gesamtqualität wird häufig nur gemutmaßt, da oftmals Unwissenheit über die relevanten Prozessparameter und ihre Toleranzen herrscht oder bereits bekannte Einflussparameter nicht zuverlässig detektiert werden können. Hier setzt das Projekt QS-Zell an:Ein wichtiger Aspekt des Projekts QS-Zell ist die Nutzung der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW als Referenz- und Integrationsplattform, um Projektergebnisse aus den verschiedenen Vorhaben im Kompetenzcluster ProZell zusammenzuführen und am PHEV-1 Zellformat im industrienahen Maßstab als Gesamtpaket zu validieren.

Dabei konnten für unterschiedliche Einzelprozesse, Rezepturen und ganze Prozessrouten auf einem vergleichbaren Maßstab gegenübergestellt, und Optimierungspotentiale aussagekräftig identifiziert werden. Das verwendete Referenzmaterial war dabei NMC622 / C, welches auf der FPL für alle elf Partner-Projekte im ProZell-Cluster hergestellt wurde, um innerhalb des Clusters vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Zum Abschluss des Projektes im Jahre 2019 konnten dank aussagekräftigen Key Performance Indicators (KPIs) die Prozessverbesserungen innerhalb der einzelnen Prozesse, wie auch deren Auswirkungen auf die gesamte Prozesskette identifiziert werden und der Projekterfolg mittelbar beurteilt werden. Im dem präsentierten Poster sind insbesondere die Einflüsse in den zeiintensiven Teilprozessen „Befüllen“ und „Formieren“ anhand von PHEV1-Zellen (>24 Ah) beurteilt.

Danksagung:Die Ergebnisse wurden mit der finanziellen Unterstützung durch das „Bundesministerium für Bildung und Forschung“ im Projekt QS-Zell erarbeitet (Förderkennzeichen 03XP0076A).

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ProjektPRODUKT – Prozess- und Zellentwicklung auf Basis durchlässiger klassischer Trägerstrukturen für Elektroden

Förderkennzeichen03XP0028E

RessortBMBF

ZF08

NMC/Si-Cells with an innovative Cell Architecture for Formation of Electrodes in Multilayer Systems


Autoren des PostersZensen, N.; Axmann, P.; Wohlfahrt-Mehrens, M. (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW Ulm))

AbstractHigh-energy batteries are essential for future electro-mobility. One way to increase energy density is to replace the commonly used active materials: For the positive electrode, nickel-rich layered oxides and nickel-manganese high-voltage spinel are promising candidates to increase cell energy. At the negative, replacing graphite for silicon as active material can increase volumetric and gravimetric energy significantly. However, silicon has two challenges, which make a direct transfer in standard lithium-ion cells difficult. One is a high periodic volume change during (de)alloying lithium with silicon. The other is a high initial capacity loss during the first cycle, which irreversibly consumes active lithium from the cell, thereby reducing the practically useable energy of the cell drastically.[1] One solution to compensate this silicon-related initial loss of active lithium is to prelithiate the anode before cell assembly. Literature suggests a wide range of concepts. On material level, different lithium-rich reactive compounds are reported as promising additives, on electrode level electrochemical and chemical methods are suggested as possible solutions. However, independent from the reported solution, a transfer into technically relevant processes remains highly challenging so far. Safety during processing is seen a very critical issue, as both materials and components show high reactivity in the prelithiated state.[2] Herein we report a concept based on a new electrode and cell architecture, which allows performing the critical step of prelithiation in a controllable, safe and scalable way. Based on this concept, we developed NMC622/Silicon full cells with high areal loading and high stability. The applicability of the prelithiation concept is verified, showing full compensation of the irreversible losses. Furthermore, the cells show high cycling stability and can operate over up to 400 cycles before reaching EoL (80% of BoL). The successful transfer into multilayered stacked pouch cells will be shown. We will describe the cell concept and discuss the obtained results in depth. We will show the influence of prelithiation on cell capacity and cycling stability and we will discuss the concept with respect to technical applicability. REFERENCES: [1] Dash, R.; Pannala, S., Sci. Rep. 6 (2016), 27449 [2] Aravindan, V.; Lee, Y.-S.; Madhavi, S., Adv. Energy Mater. (2017), 7, 160260 ACKNOWLEDGEMENTS: This work was supported by the BMBF within the project PRODUKT (03XP0028E).

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Erfolgsfaktoren für eine Zellfertigung sowie weitere ThemenZF09

Development of a bipolar battery design for multiple battery chemistries


Autoren des PostersWilhelm, L.; Burfeind, J.; Greve, A.; Doetsch, C. (Fraunhofer Umsicht)

AbstractElectrical energy storages for EV application or large-scale stationary storages require high-voltage and high-energy battery modules that consist of numerous single cells connected in series. Since every single cell is sealed and packaged separately (monopolar battery design) each cell has a large share of inert materials, which leads to a decrease in volumetric energy density.[1,2]

A bipolar battery design offers several advantages compared to conventional battery modules, such as a compact and stackable battery design, low internal resistance, high current densities and lower manufacturing costs.[1,3] This project focuses on the development of a bipolar battery stack design for multiple battery chemistries. By using flexible, polymer based bipolar plates and a polymer based framing, the bipolar battery stack can be sealed using plastic welding, without the need of age-sensitive rubber seals. An overview about project focal points and the developed bipolar battery stack as well as first results will be presented. References [1] Shin, H.-S., et al., Multilayered, Bipolar, All-Solid-State Battery Enabled by Perovskite-Based Biphasic Solid Electrolyte, ChemSusChem, 2018 [2] Deng, C., et al., Fabrication of bipolar nickel metal hydride batteries with nanometer copper oxide as anodic additive, Electrochimica Acta, 2006 [3] Ohms, D., et al., High performance nickel-metal hydride battery in bipolar stack design, Journal of Power Sources, 2002

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ProjektFastStorage BW II – Machbarkeitsuntersuchung zur Erforschung neuartiger Hochleistungs- und Hochenergiespeicherzellen und deren Fertigungsmethodik als Basis für eine spätere Großserienfertigung in Baden-Württemberg II


RessortMinisterium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg

ZF10

Traceability: Verknüpfung von Prozess und Produkteigenschaften kontinuierlicher Prozesse


Autoren des PostersLandwehr, I.; Lorenzoni, A.; Aichele, A.; Lips, J.; Blum, F. (Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung)

AbstractWährend der Produktion wird bereits der Grundstein für die Performance der Batteriezelle gelegt. Daher ist ein detailliertes Wissen über das Zusammenspiel zwischen Prozessparametern und (Zwischen-)Produktmerkmalen unabdingbar. Um diese Daten in einen verwertbaren Kontext zu bringen, muss je nach Prozessart jeder Wert (Batch, diskret oder kontinuierlich) eindeutig zugeordnet sein (Traceability auf Prozessebene). Eine erste Umsetzung und Erprobung des Konzeptes erfolgte an einem kontinuierlichen Beschichtungsprozess. Dabei wurden die aufgenommenen Datensätze dem kontinuierlich durchlaufenden Elektrodenband zugeordnet und für eine spätere Diskretisierung den einzelnen Zellen zur Verfügung gestellt. Im Projekt „eDoE“ (embedded Design of Experiments) wurde zunächst eine adaptierte Prozess-FMEA (Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse) zur Ermittlung relevanter Prozessparameter eingesetzt. Weiterhin wurden innerhalb der FMEA auch relevante Störgrößen identifiziert. Die Prozessparameter waren beispielsweise die Auftragsmenge, die Bandgeschwindigkeit, Kalanderparameter, relativer Luftfeuchtegehalt an verschiedenen Positionen im Prozess, Ofentemperaturen sowie das Abkühlverhalten der Elektrode. Zudem wurden Zwischenproduktmerkmale wie die Schichtdicke vor dem Kalandrieren oder das Flächengewicht ermittelt. Außerdem wurden beispielsweise Störgrößen, wie die relative Luftfeuchtigkeit, die Umgebungstemperatur oder die Bandvibrationen im Prozess aufgezeichnet und gespeichert. Die unterschiedlichen Datensätze liegen sowohl diskret als auch quasi-kontinuierlich vor und stammen aus Datenloggern, Sensoren sowie der manuellen Aufnahme. Dieser Herausforderung der Zusammenführung der unterschiedlichen Datenquellen sowie Datensätze wurde im Projekt „eDoE“ mit Hilfe einer prototypischen implementierten Software nachgegangen. Dabei wurden die Datensätze aufbereitet und ohne den Verlust systemrelevanter Informationen vereinheitlicht. Basis war die Entwicklung eines spezifischen Algorithmus für die Raum-Zeit-Auflösung. Die aufgenommenen Daten wurden darüber hinaus hinsichtlich ihrer Konsistenz und Plausibilität mittels unterschiedlicher Prüfalgorithmen vorverarbeitet. Die Prüfalgorithmen basieren auf physikalischen Grenzwerten, statistischen Prüfungen (u. a. Ausreißertest) und Expertenwissen. Dadurch konnten fehlerhafte Bereiche bereits frühzeitig identifiziert werden. Auf Basis der klaren Zuordnung der Prozessmerkmale auf die Produktmerkmale können daraufhin Modelle für ein Prozessabbild sowie die Optimierung des Prozesses durchgeführt werden.

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EIS study on rapid lamination for Lithium-Ion Batteries

Autoren des PostersFrankenberger, M.; Singh, M.; Dinter, A.; Pettinger, K.-H. (Hochschule Landshut/Technologiezentrum Energie)

AbstractLithium-Ion Batteries consisting of NMC (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) cathodes and graphite anodes show improved C-rate stability and reduced capacity fade at fast-charging using electrode-separator lamination. For investigation of possible transfer into high-speed processing, single cells were laminated in slow and high throughput method and compared to non-laminated state. Cells were studied with EIS (electrochemical impedance spectroscopy) at different states of charge and during cycling test up to 1,000 fast-charging cycles. Slow-laminated cells show a clear reduction of 85% in the initial surface resistance compared to non-laminated and rapid-laminated cells, indicating a strong correlation of the cathode interface optimization to the chosen lamination mode. Both slow-laminated and rapid-laminated cells show a decreased surface resistance growth of + 3.5 Ω∙cm2 and + 4.7 Ω∙cm2 after 1,000 fast-charging cycles compared to non-laminated cells, while slowly laminated cells reflect accelerated surface resistance growth of + 7.5 Ω∙cm2. The reduction in surface resistance growth indicates a successful transfer of the SEI growth reduction into high-speed processing and correlates to the increase in capacity retention after 1,000 cycles of 92% and 90% for slow-laminated and rapid-laminated cells, respectively, compared to non-laminated cells dropping down to 84%.



Pulver-Aerosol-Deposition Lithium-Ionen-leitender Festelektrolytmembranen für Festkörperbatterien

Autoren des PostersHanft, D.; Nazarenus, T.; Kita, J.; Moos, R. (Lehrstuhl für Funktionsmaterialien, Bayerisches Zentrum für Batterietechnik, BayBatt, Universität Bayreuth)

AbstractLithium-Ionen-Batterien (LIB) mit Festelektrolyten gelten als potentielle Speichertechnologie der Zukunft. Der Festelektrolyt bietet die Chance zur Nutzung alternativer Anoden- und Kathodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität. Im Vergleich zu anderen Festelektrolyten weist Li7La3Zr2O12 (LLZO) eine vergleichsweise hohe ionische Leitfähigkeit von 0,1 bis 1 mS/cm auf und besitzt einen weiten elektrochemischen Stabilitätsbereich gegenüber relevanten Elektrodenmaterialien. Für die massenfertigungstaugliche Herstellung von Festelektrolytschichten spielt der Fertigungsprozess eine entscheidende Rolle. In Bezug auf die Anwendung als ionenleitende Membran müssen die Schichten in geringer Dicke und dicht verarbeitet werden können. Dies stellt große Herausforderungen an die Prozesstechnik. Als einzigartiger Raumtemperatur-Sprühprozess hat die Pulver-Aerosol-Deposition (PAD) oder AD das Potenzial, dichte keramische Schichten im Mikrometer-Dickenbereich herzustellen und bietet die Möglichkeit einer skalierbaren Fertigungsmethode zur Herstellung von Festelektrolytmembranen für zukünftige „All-Solid-State“-Batterien. Ausgangspunkt ist ein Pulver des Funktionswerkstoffes, welches als gasgetragenes Aerosol mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche abgeschieden und dabei zu einem stabilen Film verdichtet wird. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die kristallographischen, mikrostrukturellen und elektrochemischen Eigenschaften der ionenleitenden LLZO-Schichten. Festelektrolytschichten können bei Raumtemperatur in einem Dickenbereich von 2 bis 40 µm hergestellt werden. Die elektrochemischen Untersuchungen wurden mittels Impedanzspektroskopie und Polarisationsmessungen durchgeführt. In Halbzellaufbauten kann u. a. die Li+-Leitfähigkeit und Zyklierbarkeit mit Li-Metall-Elektrode nachgewiesen werden. Der Beschichtungsprozess bietet damit grundsätzlich die Möglichkeit zur Herstellung funktionsfähiger ionenleitender Festelektrolytmembranen in einem für die Anwendung relevanten Schichtdickenbereich. Hanft, D.; Exner, J.; Schubert, M.; Stöcker, T.; Fuierer, P.; Moos, R., An Overview of the Aerosol Deposition Method: Process Fundamentals and New Trends in Materials Applications, J. Ceram. Sci. Technol., 6, 147–182 (2015), 10.4416/JCST2015-00018



Minimierung technologischer und wirtschaftlicher Risiken in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Das Automatisierungsunternehmen als Enabler in der E-Mobility.

Autoren des PostersWanka, H. (Jonas & Redmann Automationstechnik GmbH), Jungnickel, R. (Jonas & Redmann Automationstechnik GmbH), Gensicke, T. (Jonas & Redmann Automationstechnik GmbH), Dohrmann, M. (Jonas & Redmann Automationstechnik GmbH)

AbstractDie Übersetzung von Kernprozessen in der Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen in skalierbare Automatisierungskonzepte minimiert technologische und wirtschaftliche Risiken für Hersteller und Lieferant gleichermaßen. Ziel Weiterentwicklung der Herstellungsschritte von Lithium-Ionen-Batterien entlang der Wertschöpfungsstufe Zelle durch: Methodik • Modulares Anlagendesign für hohe Flexibilität bei gleichzeitiger Basisstandardisierung • Design von Anlagen für die Pilotproduktion mit Automatisierung des prozessrelevanten Teils in Kombination mit manueller Handhabung für das Prozess-Know-how • Zykluszeitverkürzung durch paralleles Anlagendesign und einer spätere Erweiterung der Produktionskapazitäten • Spezialisierung auf Prozesse und Aufnahme ausgewählter Prozesse • Zusammenarbeit (teilweise mit Wettbewerbern), um komplette Lösungen anzubieten • Forschungsprojekte zum Aufbau von zukünftigen Prozess-Know-how Der aktuelle Entwicklungsfortschritt der Jonas & Redmann Prozess – und Automatisierungstechnologie für den Bereich Energiespeicher resultiert aus 10jähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Die Ergebnisse sind in Kundenprojekte mit verschiedenen Automatisierungs- und Skalierungsgraden eingeflossen. Ergebnisse Präsentiert wird, wie ausgehend vom Stand der Technik, die nächste Generation Produktionsequipment entsteht. Voraussetzung für die erfolgreiche Implementierung industrietauglicher Prozesse unter den herausfordernden Rahmenbedingungen, besonders im Automobilsektor, ist die Neuordnung der Rollenverteilung im Produkt- und Prozessentstehungsprozess. Die Consulting-Expertise des Automatisierers garantiert effektive desig-to-cost Prozesse, eine verkürzte time-to-market und Modularisierungen im Hinblick auf ein reibungsloses ramp-up. Das Maschinenbauunternehmen positioniert sich als Technologieexperte entlang der Wertschöpfungskette und ist weniger Lieferant als vielmehr tragender Technologiepartner. Als Prozessentwickler übernimmt der Automatisierer/ Maschinenbauer die Evaluierung der prozessrelevanten Parameter, inklusive der Studien zur Prozessstabilität und der ggf. nötigen Optimierung. Damit übernimmt das Automatisierungsunternehmen die Definition von Prozess- und Anlagenspezifikationen. Jonas & Redmann beschreibt diesen Entwicklungsprozess und dessen Ergebnisse an den Beispielen Elektrodenschneiden, Elektrolytbefüllen sowie an ausgewählten, erfolgskritischen Handhabungsschritten: • Laserschweißen, Schneidprozesse von Batteriefolien - mechanisch / Laserschneiden • Lithium Handling | Stapeln • Elektrolytbefüllen | OptiKeraLyt



ProjektDaLion 4.0 – Data-Mining als Basis cyber-physischer Systeme in der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion

Förderkennzeichen03ETE017A

RessortBMWI

Autoren des PostersTuretskyy, A.; Wessel, J.; Thiede, S.; Herrmann, C. (Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik)

AbstractOver the years lithium-ion battery cell production has become increasingly important for the industry e.g. due to rising popularity of the e-mobility or the energy system transformation towards more renewable energies. Still, in contrast to established sectors, the process chain and the interactions between the single processes in the lithium-ion battery cell production are not fully understood. The Production chain of lithium-ion battery cells consists of manifold specialized processes of various fields of engineering covering batch as well as single unit processes containing converging and diverging material flows located in different environments with different ambient conditions. This complexity of the production line and its influence on the final product, the lithium-ion battery cell, need to be better understood in order to control and regulate towards desired economic and ecological target criteria (e.g. product quality, cost, energy demand, etc.). Therefore, it is necessary to identify and evaluate the interactions between the process steps and their effects on the relevant cell properties. This work addresses the identification and evaluation of the interactions between production processes and crucial battery cell properties. It focuses on the acquisition and the analysis of production data of the pilot line of Battery LabFactory Braunschweig (BLB). The concept shows how potential data sources along the production chain can be identified, how data of various types and structures can be acquired through automated and manual interfaces using different communicational protocols and later be stored for convenient access and visualization. Furthermore, it shows the application of data mining identifying the influences of intermediate product features (particle distribution, coating layer thickness, overlapping-rate of the electrodes in the assembly process, etc.) on final product properties of the battery cell (maximal capacity, self-discharge, capacity loss during the cycle life, etc.). It further evaluates the identified influences in order to show the advantages of data-driven methods and their potential for production process improvement.

ZF14

Data acquisition and data mining in lithium-ion battery cell production



ProjektDaLion 4.0 – Data-Mining als Basis cyber-physischer Systeme in der Lithium-Ionen-Batteriezellproduktion


RessortBMWi

Autoren des PostersWessel, J. (TU Braunschweig | Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik), Turetskyy, A. (TU Braunschweig | Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik), Thiede, S. (TU Braunschweig | Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik), Herrmann, C. (TU Braunschweig | Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik)

AbstractThe production of lithium-ion battery cells still remains a challenge today. Due to a high variety of different processes, including batch and single unit processes, unknown process interactions, influ-ences caused by material properties as well as different ambient conditions improving product and process quality becomes highly complex. Furthermore, insufficient process understanding makes it difficult to control and regulate the production towards certain goal criteria, such as economic and ecological target criteria (e.g. costs, energy demand) or highest performance or product quality. To be able to better understand and predict the set goal criteria of the different intermediate products and the later resulting battery cell performance, an inline quality management concept is required. This work will present a methodology for such a quality management concept, based on a devel-oped smart tracking and tracing system along the manufacturing chain of LiB cells. It will illustrate the mapping of the entire production of LiB cells, the identification of its quality critical points (QCP) and the automated allocation of all acquired data to the specific QCP using a logical identification system. QCP’s represent points in production where an information loss is likely and critical. Those points represent the to be implemented Quality Gates. To be able to assign/allocate correct infor-mation to the QCP in production, the logical identification system was developed. This identification system creates a virtual information card (VIC) depicting every product and intermediate product in production and assigning a unique and traceable ID to it. Building on those ID’s, the smart tracking and tracing system will generate a pre-clustered data set assigning it to the VIC. Those data sets relate to all acquired data, such as, information about the production environment (e.g. energy demand), the production influences (e.g. process parameters, used material, preliminary interme-diate product) and online/offline diagnostics or analytics. By coupling of the smart tracking and tracing system and identified Quality Gates, the pre-clustered data set can supply different inline prediction models with the required data, to generate knowledge about the intermediate or final product in relation to set goal criteria. This knowledge can then be used to adapt following produc-tion processes or determine the later use of the final LiB cell.

ZF15

Development of a smart tracking and tracing system to enable inline quality gates in the production of Lithium-ion Batteries



ProjektOptiZellForm - Beschleunigung und energetische Optimierung der Zellformierung


RessortBMBF

Autoren des PostersDrees, R. (Technische Universität Braunschweig | Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen)

AbstractThe formation of lithium-ion batteries is one of the most time-consuming process steps during the production. Common formation methods consist of several relatively slow charging and discharging cycles in order to build up the Solid Electrolyte Interface (SEI) on the anode. The SEI has a significant impact on the performance and aging of the battery cells. Aiming at faster production times and better properties of lithium-ion batteries, the optimization of common formation methods is necessary. This contribution is focused on developing optimized formation procedures by means of parameter studies and model-based design. Different NMC622/G cells are characterized with a three-electrode setup in order to parametrize a developed battery model. The output of the battery model are optimized fast charging profiles. These profiles are applied to the formation procedure of new pouch cells.

The performance and aging of these cells show good properties while having shorter process times compared to cells with conventional formation procedures. The model-based derived current profiles are designed to prevent lithium-plating during the formation which limits the charging current and process time. The model is verified by the measurements which do not show indications of lithium-plating compared to formation procedures with high and constant current.

ZF16

Fast Charging Formation



ProjektRoll-it – Rolle-zu-Rolle-IntensivnachtrocknungundMultiDis – Multiskalensimulation zur Beschreibung des Rußaufschlusses im Dispergierprozess für eine prozess- und leistungsoptimierte Prozessführung

Förderkennzeichen03XP0080B und 03XP0078B

RessortBMBF

Autoren des PostersHuttner, F.; Mayer, J.; Haselrieder, W.; Kwade, A. (TU Braunschweig/Institut für Partikeltechnik)

AbstractIn the course of the current global energy transition, energy storage systems are a key technology for alternative automotive systems such as electric and hybrid vehicles. Lithium-ion batteries (LIBs) are used for this due to their very high level of development and their outstanding properties. However, the further improvement of cell performance requires deep knowledge and innovations in materials and production processes in parallel. The cell performance of LIBs is determined by various interdependent process parameters. Amongst others, there is a strong interdependency between processing strategy and the step of post-drying before cell assembly. On the one hand, the dispersion strategy[1] as well as the proportion of carbon black have a significant influence on the electrode structure and consequently on moisture absorption and cell performance. On the other hand, the cell performance is significantly defined by the post-drying of the cell components and the residual moisture that can be achieved.[2] Consequently, a systematic investigation of differently produced NCM622 cathodes with different structures and properties concerning moisture absorption, post-drying behavior and electrochemical and physical properties was carried out. Therefore, cathodes with three dispersion intensities (3.14, 5.24 and 7.33 m/s high speed stirrer (HSS) velocities in a planetary mixer) and three conductive additive concentrations (0, 1.5 and 2.25 wt.%) were manufactured and examined. The cathodes were first analyzed in the non-post-dried state, then post-dried in two different ways (argon/vacuum and infrared) and formed to half cells. Comprehensive analyses were performed both before and after post-drying to identify the influence of dispersion intensity and varying additive ratios on structural properties as well as moisture absorption (measured by Karl-Fischer-Titration) and post-drying behavior of cathodes. Amongst others, the results showed that in contrary to the conductive agent ratio, the dispersion intensity has a great influence on moisture absorption. Concerning the electrochemical performance, the cathode containing 1.5 wt.% carbon black and post-dried with argon/vacuum showed the best results. [1] Mayer et al., Influence of the Carbon Black Dispersing Process on the Microstructure and Performance of Li-ion Battery Cathodes, Energy Technol. (2019) [2] Huttner et al., The Influence of Different Post-Drying Procedures on Remaining Water Content and Physical and Electrochemical Properties of Lithium-Ion Batteries. Energy Technology, (2019).

ZF17

Effect of dispersion intensity and conductive additive ratio on post-drying behavior and physical and electrochemical properties of lithium ion battery cathodes



High sulfur content in microporous carbon aerogels for lithium-sulfur batteries

Autoren des PostersNojabaee, M. (German Aerospace Center (DLR), Institute of Engineering Thermodynamics), Schettler, J., (German Aerospace Center (DLR), Institute of Material Research),Schwan, M. (German Aerospace Center (DLR), Institute of Material Research), Wagner, N. (German Aerospace Center (DLR), Institute of Engineering Thermodynamics), Milow, B. (German Aerospace Center (DLR), Institute of Material Research),Friedrich, A. (German Aerospace Center (DLR), Institute of Engineering Thermodynamic)

AbstractLithium-Sulfur (Li-S) batteries are currently one of the attractive systems among next generation of the batteries offering high theoretical specific capacity of 1,675 mAh/g and high specific energy density of 2,500 Wh/Kg. In addition, sulfur is abundant on earth and inexpensive. These advantages of Li-S battery make it the promising candidate for the realization of cost and performance- efficient electro-mobility. However, the commercialization of Li-S batteries is challenged by the capacity loss induced by the so-called polysulfide shuttle effect. The encapsulation of the active material in the cathode matrix is one of the many strategies impeding the polysulfide shuttle effect. Due to the adjustable microporous structure and pore size distribution, carbon aerogels are highly promising material to be used as user-defined porous matrix for sulfur. Starting from organic resorcinol-formaldehyde (RF) aerogels, recently developed carbon aerogels exhibit porous structure with huge porosity up to 97 %, high surface area about 500-2,000 m²/g, large micro pore volume about 0.1-0.6 cm³/g, and good electrical conductivity. Moreover, flexibility of carbon aerogels allows elimination of crack formation during volume change of sulfur. In the presented study, we synthesized and investigated highly microporous carbon aerogel as conductive matrix embedding up to 32 wt-% of sulfur for cathodes in Li-S batteries. New aerogel based battery exhibits high cyclic stability and high specific capacity of 1,000 mAh/g(S) after 150 cycles. The innovative gas-phase sulfur infiltration of the carbon aerogels and the resulting confinement of the short sulfur-chains in the microspores (< 2 nm) are demonstrated employing complementary characterization techniques such as TGA, XPS, and elemental analysis. It is shown that S-infiltrated microporous carbon aerogel cathodes are indeed able to suppress the polysulfide shuttle effect, resulting in longer cycle stability of the cell in both ether and carbonate-based electrolyte.



ProjektPRINTSOLID - Druckbare Solid-State-Lithium-Batteriezellen


RessortVector Stiftung

ZF19

Effect of the Conductive Additive and Binder on the Cathode Performance of Sulfide-based All-Solid-State-Batteries


Autoren des PostersNeumann, T.; Pfefferle, F. W.; Georg, A.; Biro, D.; Krossing, I. (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme)

AbstractAll-solid-sate Batteries (ASSBs) display a promising advance in lithium-ion-battery technology. Substituting the liquid for a solid electrolyte will enhance various factors like battery safety, system stability and due to a facilitated implementation of a lithium metal anode an increase in the specific capacity. Sulfide-based materials are among the most promising inorganic solid lithium-ion-conductors. This is related to their great ductile behaviour, which enables low temperature processing, and a high ion-conductivity at room temperature. Since ASSBs are based on solid components, developing a well-designed interpenetrating network inside the electrode will be essential for the performance of the battery cell. Due to the reactivity of the sulfide electrolyte, such a network can lead to various side reactions and therefore increasing the internal resistance of the battery cell. To understand the interaction between the components further, we developed tape-casted cathodes with different conductive additive (CA) and binder compositions while using LiNixMnyCozO2 (x+y+z = 1, NMC) as active material and Argyrodite Li6PS5Cl (LPSCl) as solid electrolyte. For the measurements, battery full cells were fabricated under an inert Ar-atmosphere. In a first step NMC and LPSCl were ball-milled and mixed with a premixed dispersion including CA and binder. The homogeneous slurry was then tape-casted onto aluminium-foil. The resulting cathode sheet was dried naturally, calandered, punched and pressed onto pelletized LPSCl-powder. Afterwards, a LixIny-Alloy was attached onto the opposite face of the fabricated bilayer and sealed inside a standard coin cell casing. The cells were then characterised by galvanostatic measurements as well as electrochemical impedance spectroscopy (EIS).

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ProjektLImeS – Lithium-Ionen-Zellen zur Integration mit erweiterter Sensorik

Förderkennzeichen03ETE019F

RessortBMWi

ZF20

Einfluss von Ladezustand, Temperatur und Alterung auf den Gasdruck in prismatischen Lithium-Ionen-Zellen


Autoren des PostersSchmitt, J.; Jossen, A. (Technische Universität München, Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik)

AbstractDas Batteriemanagementsystem eines Batteriepacks hat die Aufgabe, alle sicherheitsrelevanten Systemparameter des Packs zu überwachen, dessen Ladezustand zu bestimmen sowie die Alterung des Packs bzw. der einzelnen Zellen zu detektieren und die verfügbare Kapazität und Leistung zu berechnen. Üblicherweise werden als Ausgangspunkt für diese Berechnungen der Packstrom oder der Strom einzelner Zellstränge, die Klemmspannung der Zellen und die Temperatur an verschiedenen Punkten des Packs gemessen. Die Verwendung von Batteriezellen mit integrierten Sensoren ermöglicht es, ergänzend hierzu weitere physikalische Größen der Batterie zu messen, um mehr Informationen über die Prozesse in den Zellen zu gewinnen. Eine dieser Größen ist der Druck des Gases im Inneren des Zellgehäuses. Im Rahmen des Beitrags werden Erkenntnisse zum Einfluss von Ladezustand, Temperatur und Alterung auf den Gasdruck in prismatischen Lithium-Ionen-Zellen präsentiert. Im Rahmen des Projektes „Multifunktionale intelligente Batteriezelle (MiBZ)“ wurden Experimente an vier mit Gasdruck-Sensoren ausgestatteten, prismatischen Lithium-Ionen-Zellen durchgeführt. Die Zellen wurden über mehrere Monate bei unterschiedlichen Temperaturen zyklisiert und in regelmäßigen Abständen elektrochemisch charakterisiert sowie Temperaturprofilen ausgesetzt. Der Gasdruck im Zellgehäuse steigt für alle untersuchten Zellen mit der Alterung. Dieses Verhalten kann mit der Bildung von zusätzlichem Gas durch in der Zelle stattfindende Nebenreaktionen erklärt werden. Bei der Betrachtung der Druckänderung innerhalb einer Ladung bzw. Entladung zeigt sich, dass der Druckverlauf einem charakteristischen Muster folgt, welches durch die Veränderung des Elektrodenvolumens in Abhängigkeit der Lithiierung und der damit verbundenen Veränderung des freien Volumens im Zellgehäuse hervorgerufen wird. Des Weiteren korreliert der Gasdruck in den Zellen mit der Temperatur. Die Ergebnisse zeigen ein Zusammenhang zwischen dem Gasdruck und dem Ladezustand (SOC) sowie dem Alterungszustand (SOH) der Zelle. Der Gasdruck ist somit prinzipiell zur Bestimmung von SOC und SOH geeignet. Das Konzept der Integration von Sensoren in Batteriezellen wird im kürzlich gestarteten Projekt „Lithium-Ionen-Zellen zur Integration mit erweiterter Sensorik (LImeS)“ weiterverfolgt. Im Rahmen des Beitrags wird diskutiert, unter welchen Voraussetzungen die Messung des Zellinndrucks sinnvoll in Batteriepacks eingesetzt werden kann und welche weiteren Schritte zur Industrialisierung der Technologie notwendig sind.

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ProjektGoForE – Galvanoformung von Dispersionsfolien für den Einsatz als neue Elektrodenverbundmaterialien in Lithium-Akkumulatoren

Förderkennzeichen03VP05120

RessortBMBF

ZF21

Validierung der kontinuierlichen Kompositgalvanoformung zur Herstellung neuartiger bindemittel- und kohlenstofffreier Batterieelektroden


Autoren des PostersKesten, O.; Meinhard, S.; Jäger, A. K.; Hägele, I.; Borgmeier, A.; Sörgel, T. (Hochschule Aalen)

AbstractLithium-Schwefel-Akkumulatoren gelten aufgrund ihrer hohen gravimetrischen Energiedichte, ihrer Umweltfreundlichkeit und der deutlich niedrigeren Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren als vielversprechende Post-Lithium-Ionen-Technologie. Dennoch gibt es derzeit noch ungelöste Anforderungen, die es zu bewältigen gilt, ehe mit einer breiten Kommerzialisierung der Lithium-Schwefel-Technologie zu rechnen ist.[1] Im Stand der Technik bestehen Schwefelelektroden aus einem auf eine Stromsammlerfolie aufgebrachten Mehrkomponentengemisch, das neben dem Aktivmaterial Schwefel auch elektrisch leitfähige Kohlenstoffpartikel zur Verbesserung der Leitfähigkeit sowie Bindemittel zur Stabilisierung der mechanischen Integrität der Kathode enthält.[2,3] Seit 2012 untersucht unsere Arbeitsgruppe ein von uns entwickeltes neuartiges Elektroden- und herstellungskonzept, welches auf Bindemittel und Leitadditive verzichtet und mittels Kombination galvanotechnischer Verfahren im sogenannten Kompositgalvanoformungsprozess realisiert wird.[4-6] In dieser Arbeit wird das Upscaling des neuartigen Prozesses zur kontinuierlichen Herstellung von Schwefelkompositkathoden vorgestellt. Es entstehen hochstrukturierte Schwefelkathoden mit einer Bindematrix aus Nickel, welche zugleich die Funktion des Stromsammlers, Binders und Leitadditivs übernimmt. Anhand eines neuentwickelten Simulationstools wird das theoretische Potential des Konzepts der kompositgalvanogeformten Kathoden ermittelt und mittels Zelltests im Pouchzellenformat validiert. Es konnte die weltweit erste Pilotanlage zur Herstellung von Elektrodenfolien mittels Kompositgalvanoformung in unserem Labor errichtet werden. In dieser Anlage konnte das neue Elektrodenkonzept in den Endlosmaßstab überführt und Kathodenfolien mit einer Breite von 30 cm hergestellt werden. Durch die Simulation des Kathodenmaterials auf Pouchzellebene wurde das Potenzial für kompositgalvanogeformte Kathoden aufgezeigt. Die praktische Funktion der Kathodenfolien konnte erfolgreich in Pouchzellen validiert werden. Quellen: [1] Xu, J.; Ma, J.; Fan, Q.; Guo, S.; Dou, S., Adv. Mater. 2017, 29, 1606454. [2] Manthiram, A.; Fu, Y.; Chung, S.-H.; Zu, C.; Su, Y.-S., Chem. Rev. 2014, 114, 11751. [3] Peng, H.-J.; Huang, J.-Q.; Cheng, X.-B.; Zhang, Q., Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700260. [4] Erhardt, C.; Sörgel, Ş.; Meinhard, S.; Sörgel, T., J. Power Sources 2015, 296, 70. [5] Sörgel, Ş.; Kesten, O.; Wengel, A.; Sörgel, T., Energy Storage Mater. 2018, 10, 223. [6] Sörgel, T.; Meinhard, S.; Sörgel, Ş., Film Composite Material, EP000003114721B1, 2019.

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ProjektGoForE – Galvanoformung von Dispersionsfolien für den Einsatz als neue Elektrodenverbundmaterialien in Lithium-Akkumulatoren

Förderkennzeichen03VP05120

RessortBMBF

Autoren des PostersHägele, I.; Meinhard, S.; Jäger, A. K.; Kesten, O.; Sörgel, T.; Borgmeier, A. (Hochschule Aalen)

AbstractLithium-Schwefel-Akkumulatoren gelten aufgrund ihrer hohen gravimetrischen Energiedichte, ihrer Umweltfreundlichkeit und der deutlich niedrigeren Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren als vielversprechende Post-Lithium-Ionen-Technologie. Es gibt derzeit noch Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, ehe mit einer breiten Kommerzialisierung zu rechnen ist.[1] Im Stand der Technik bestehen Schwefelelektroden aus einem auf eine Stromsammlerfolie aufgebrachten Mehrkomponentengemisch, das neben dem Aktivmaterial Schwefel auch elektrisch leitfähige Kohlenstoffpartikel zur Verbesserung der Leitfähigkeit sowie Bindemittel zur Stabilisierung der mechanischen Integrität der Kathode enthält.[2,3] Seit 2012 untersucht unsere Arbeitsgruppe ein neuartiges Elektrodenkonzept, welches auf Bindemittel und Leitadditive verzichtet und mittels Kombination galvanotechnischer Verfahren im sogenannten Kompositgalvanoformungsprozess realisiert wird.[4-6] In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Wirtschaftlichkeitsrechnung als interdisziplinäres Werkzeug für die Ermittlung der Herstellkosten von Kathodenmaterialien, um einen belastbaren Vergleich zum Stand der Technik ermitteln zu können. Der kontinuierliche Prozess wurde zwischenzeitlich in einen industrienahen Technikumsmaßstab überführt. Der Materialverbrauch für den galvanotechnischen Prozess wurde mit Hilfe der Prozessparameter ermittelt und stellt somit die Basis zur Ermittlung der Materialkosten für die Vollkostenkalkulation dar. Anhand der Kostenartenrechnung werden alle Kosten, einschließlich der Materialkosten sowie der Fertigungskosten, definiert, um mit Hilfe der Kostenträgerrechnung die Selbstkosten der galvanogeformten Kathodenfolie zu ermitteln und unterschiedliche Szenarien darstellen zu können. Das neue Elektrodenkonzept könnte insbesondere aufgrund des innovativen Herstellungsverfahrens, das eine Reihe potenzieller Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik aufweist, eine gute Grundlage bieten, um sich auf dem teils stark umkämpften Batteriemarkt behaupten zu können. [1] Xu, J.; Ma, J.; Fan, Q.; Guo, S.; Dou, S., Adv. Mater. 2017, 29, 1606454. [2] Manthiram, A.; Fu, Y.; Chung, S.-H.; Zu, C.; Su, Y.-S., Chem. Rev. 2014, 114, 11751. [3] Peng, H.-J.; Huang, J.-Q.; Cheng, X.-B.; Zhang, Q., Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700260. [4] Erhardt, C.; Sörgel, Ş.; Meinhard, S.; Sörgel, T., J. Power Sources 2015, 296, 70. [5] Sörgel, Ş.; Kesten, O.; Wengel, A.; Sörgel, T., Energy Storage Mater. 2018, 10, 223. [6] Sörgel, T.; Meinhard, S.; Sörgel, Ş., Film Composite Material, EP000003114721B1, 2019.

ZF22

Betrachtung der Herstellkosten neuartiger, strukturierter, binderfreier Kathodenfolien im Rahmen der Kompositgalvanoformung


Elektrisches Fliegen


Elektrisches Fliegen sowie weitere ThemenEF01

Conceptual Design of Battery Systems for Hybrid Electric Aircrafts

Autoren des PostersHölzen, J. (U Hannover), Yaolong, L. (TU Braunschweig), Bensmann, B. (U Hannover), Winnefeld, C. (U Hannover), Elham, A. (TU Braunschweig), Hanke-Rauschenbach, R. (U Hannover)

AbstractElectrification of aircraft propulsion systems is gaining more and more interest. Aircraft manufactures identify new profitable business opportunities. Also, electric aircrafts offer the opportunity of environmentally friendly aviation and can contribute significantly to the required reduction of CO2 reduction in the transport sector . Focus of the present contribution is to find the optimal propulsion system for the most energy-efficient hybrid electric aircraft (HEA), which can compete with conventional aircrafts from a cost perspective in 2035. The main motivation is to provide a conclusive concept that highlights the major aspects for the development of hybrid electric aircrafts. Existing analyses are kept on a high-level of information and do not dive into very detailed investigations. Especially, the analysis of the battery’s power-to-energy-ratio as well as operation strategy during flight can be identified as research gaps. A new simulation approach for hybrid electric aircrafts is suggested, which considers the most important battery parameters in combination with a comprehensive modeling approach for aircraft design and optimization, which calculates the required aircraft weight and dimensions according to the battery parameters under consideration of power-to-weight and weight-to-wing-ratios. The main findings underline the importance of choosing the right power-to-energy-ratio of a battery according to a specific flight mission as well as consideration of a battery operation strategy. The gravimetric energy and power density of the electric storages determine the technologically feasibility of hybrid concepts. Cost competitive HEA configurations are found, but do not promise the targeted CO2 emission savings, when the well-to-wheel system is regarded with its actual costs. Sensitivity studies are used to determine external levers that favor the profitability of HEA. European Commission, Flightpath 2050 - Europe’s Vision for Aviation, Luxemburg, 2011. Liu, Y.; Elham, A.; Horst, P.; Hepperle, M., Exploring Vehicle Level Benefits of Revolutionary Technology Progress via Aircraft Design and Optimization. Energies 0218, 11, 166. Hölzen, J.; Liu, Y.; Bensmann, B.; Winnefeld, C.; Elham, A.; Friedrichs, J.; Hanke-Rauschenbach, R., Conceptual design of operation strategies for hybrid electric aircraft. Energies 2018, 11, 217.



ProjektSUMAFLY – Sustainability modelling and analysis of future aircraft systems

Förderkennzeichen390881007

RessortDFG

Autoren des PostersMelo, S. P.(a,c), Cerdas, F.(a,c), Barke, A.(b,c), Thies, C.(b,c), Spengler, T.(b,c), Herrmann, C.(a,c,d)

a) Institute of Machine Tools and Production Technology (IWF), Chair of Sustainable Manufacturing and Life Cycle Engineering, Technische Universität Braunschweig b) Institute of Automotive Management and Industrial Production, Technische Universität Braunschweig c) Battery LabFactory Braunschweig (BLB), Technische Universität Braunschweig d) Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films (IST)

AbstractGiven the increasing congestion in cities and growing concern around high level of air pollution, new mobility technologies and business models ranging from micro-mobility (e.g. electric scooters, electric bikes) to long distances (e.g. car sharing) are emerging as options to cope with the urban transportation challenges. In addition, the increasing interest towards urban air mobility and ongoing improvements in battery technologies have posed the electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircrafts as a promising future market, enabling longer travel distances with significant time saving potential and lower environmental footprint. Although new technologies in aviation such as electrification potentially mitigates in-flight emissions, the impacts might be redistributed to manufacturing and recycling stages of the life cycle. Hence, a methodology to assess their environmental implications is necessary. An application of integrated computational life cycle engineering (LCE) method enables an understanding of the implications of upcoming technologies by combining different context scenarios and studying the interactions between different designs, product parameters, spatial differences for a better support in design stages. In this context, an LCE approach for future aircraft systems is introduced with a focus on lithium sulfur batteries (LSB) and nickel manganese cobalt oxide (NMC) for powering eVTOLs.

A methodology for assessing the potential environmental burdens associated with battery production and operation is described, modelling the required battery capacity based on the power requirement for a reference mission. The impact of amortizing the burden from battery production over the distance travelled is investigated. Results revealed the tradeoff between emissions and cycle life. Even though LSB presents higher specific energy, resulting in the capability of achieving longer ranges per cycle or requiring less energy for a shorter mission, and consequently lower emissions, the higher degradation restricts considerably its lifetime, requiring to be replaced well before than 811-NMC. Additionally, current technologies do not reach the 2020 regulation target of 95 g CO2/km for road passenger cars before its replacement. However, given the advancements in LSB towards higher specific energies and longer lifetime, its GWP breaks even with the 2020 target. Alongside with these aspects, as more renewables are connected to the grid, a more sustainable scenario for eVTOLs to alleviate automobile traffic in cities can be expected in the next years.

EF02

Life Cycle Engineering of batteries for future aircraft systems: the case of eVTOLs



Projektaero-LiS-SE – Advanced lithium-sulfur battery concepts for aviation

FörderkennzeichenEXC 2163/ C2.3

RessortDFG

EF03

Cluster of Excellence SE²A - Advanced lithium-sulfur battery concepts for aviation


Autoren des PostersCistjakov, W. (InES, BLB, TU Braunschweig), Jeon, E. J. (iPAT, TU Braunschweig), Steckermeier, D. (iPAT, BLB, TU Braunschweig), Röder, F. (InES, BLB, TU Braunschweig), Jean-Fulcrand, A. (iPAT, TU Braunschweig), Michalowski, P. (iPAT, BLB, TU Braunschweig), Garnweitner, G. (iPAT, TU Braunschweig), Kwade, A. (iPAT, BLB, TU Braunschweig), Friedrichs, J. (IFAS, TU Braunschweig), Krewer, U. (InES, BLB, TU Braunschweig)

AbstractThe transition of the energy system is in full swing, with electromobility being enabled by advancements in Li ion batteries. Belatedly, also aviation is now searching for zero emission options. To catalyse this process, the DFG-Cluster of Excellence “Sustainable and Energy Efficient Aviation” thrives to lay the scientific foundations, to identify suitable energy supply concepts and to develop the key technologies therein.[1]

Whereas fuel cells and electro fuel-operated gas turbines are envisioned for mid and long-range flights, short range zero emission flights may be enabled with advanced, low weight Li-based batteries. Here, efforts of the cluster concentrate on Lithium-Sulfur Solid State Batteries due to their high specific energy, improved safety and potential load bearing features. Special focus is on the design and production of cathodes and hybrid electrolytes on the micro- and macrolevel. This poster will present the approach and advances of the cluster. Experiments and simulations will elucidate the effects of different all solid-state electrode structures and compositions, and the related production pathways. For this purpose, a carbon-sulfur composite was combined with solid[3] and hybrid electrolytes known from experienced fabrication process.[2] The hybrid electrolytes were designed, fabricated and evaluated. The composites were systematically varied with components, particle sizes, solids concentrations. The analysis of possible interactions at the interface to the cathode active material is studied. Here also, the complex sulfur reaction kinetics including electrochemical and chemical steps[4] and transport needs to be taken into account. The studies already show that sulfur incorporation into carbon is rather independent on the pore structure; resistivity and the specific capacity in the final cells showed strong dependence.[2] References: [1] Ed.: Friedrichs, J.; Krewer, U.; Horst, P.; Spengler, T.; Radespiel, R.; Kwade, A., Special issue “Towards a Transformation to Sustainable Aviation Systems”, Energies, 2019 (open access). [2] Zellmer, S., et. al., Energy Storage Materials 9 (2017) 70–77 [3] Ohno, S., et. al., ChemRxiv (2019) [4] Schoen, P., et. al., Electrochimica Acta 295 (2019) 926 – 933

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Model based fast charging protocol for lithium-ion batteries


Autoren des PostersHauck, B. (Karlsruher Institut für Technologie), Dippon, M. (Karlsruher Institut für Technologie), Weber, A. (Karlsruher Institut für Technologie), Ivers-Tiffée, E. (Karlsruher Institut für Technologie)

AbstractFast charging procedures are becoming increasingly important for numerous applications, in particular for battery electric vehicles. Fast charging is always associated with higher charge currents, resulting in accelerated aging.[1-3] This is mainly caused by lithium-plating,[4] because the anode potential vs. lithium drops below the open-circuit potential at high currents and low temperatures.[5] Plating is associated with, i.e., the formation of dendrites and the loss of capacity.[6] In this study a behavior model based on equivalent circuit elements was developed to simulate the anode potential vs. lithium during the charging process. Based on the simulation model an optimized multistage constant current charging (MSCCC) protocol has been developed for a (small) commercial high energy pouch cell.[3] The current in this charging procedure is stepwise reduced as soon as the model predicts an anode potential of 0 V and below. This optimized fast charging routine is 15 % faster compared to constant current constant voltage (CCCV) charging specified by the manufacturer. An aging study revealed plus 2 % capacity loss over 400 cycles for the MSCCC charging routine compared to CCCV charging. Figure Description: a) Charge amount over charge time b) remaining capacity over number of cycles. The figures show measured values for both the CCCV and MSCCC charging procedures at 25 °C. References: [1] Abdel-Monem, M.; Trad, K.; Omar, N.; Hegazy, O.; van den Bossche, P.; van Mierlo, J., “Influence analysis of static and dynamic fast-charging current profiles on ageing performance of commercial lithium-ion batteries,” Energy, vol. 120, no. 2017, pp. 179–191, 2017. [2] Gao, Y.; Jiang, J.; Zhang, C.; Zhang, W.; Ma, Z.; Jiang, Y., “Lithium-ion battery aging mechanisms and life model under different charging stresses,” J. Power Sources, vol. 356, pp. 103–114, 2017. [3] Keil, P.; Jossen, A., “Charging protocols for lithium-ion batteries and their impact on cycle life-An experimental study with different 18650 high-power cells,” J. Energy Storage, vol. 6, pp. 125–141, 2016. [4] Birkenmaier, C.; Bitzer, B.; Harzheim, M.; Hintennach, A.; Schleid, T., “Lithium Plating on Graphite Negative Electrodes: Innovative Qualitative and Quantitative Investigation Methods,” J. Electrochem. Soc., vol. 162, no. 14, pp. A2646–A2650, 2015. [5] Uhlmann, C.; Illig, J.; Ender, M.; Schuster, R.; Ivers-Tiffée, E., “In situ detection of lithium metal plating on graphite in experimental cells,” J. Power Sources, vol. 279, pp. 428–438, 2015. [6] Vetter, J., et al., “Ageing mechanisms in lithium-ion batteries,” J. Power Sources, vol. 147, no. 2, pp. 269–281, 2005.

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ProjektEntwicklung eines kompakten, leistungsstarken Schnellladesystems für Pedelecs

FörderkennzeichenZF4635201LT8

RessortBMWi

EF05

Entwicklung eines kompakten, leistungsstarken Schnellladesystems für Pedelecs


Autoren des Postersde Biasi, L.; Smith, A.; Ehrenberg, H. (Karlsruher Institut für Technologie)

AbstractPedelecs bieten im Stadtverkehr eine umweltfreundliche und komfortable Alternative zum Auto. Typischerweise wird die Batterie außerhalb des Rahmens montiert und für den Ladevorgang ausgebaut. Da die meisten Pedelec-Fahrer auf kürzeren Strecken unterwegs sind, genügen auch kleinere Batterien, die aufgrund ihres kleinen Volumens voll in den Rahmen integriert werden können. Dies resultiert in einem geringeren Gesamtgewicht und hat den Vorteil einer besseren Wärmeabfuhr und höheren Betriebssicherheit. Da bei vollintegrierten Batteriesystemen eine externe Aufladung bzw. der Austausch gegen eine bereits geladene Ersatzbatterie nicht möglich ist, ist eine möglichst kurze Ladedauer von besonderer Bedeutung. Derzeit dauert das Laden der Batterie meist rund zwei bis vier Stunden. Im Rahmen eines ZIM-Verbundprojektes (ZF4635201LT8) entwickeln das Institut für Angewandte Materialien (IAM-ESS) und das Elektrotechnische Institut (ETI) vom KIT-Batterietechnikum gemeinsam mit dem Hersteller Coboc ein Schnellladeverfahren für Pedelecs. Ziel ist es die vollintegrierten Batterien der Coboc Pedelecs an einer normalen 230-Volt-Steckdose in weniger als einer Stunde wieder vollzuladen. Basierend auf den Anforderungen einer möglichst hohen Energiedichte bei zugleich hoher Ratenfestigkeit wurde eine Vorauswahl von vier 18650er/21700er Rundzelltypen getroffen. Um deren möglichen Einsatz in einer schnellladefähigen und langlebigen Batterie zu überprüfen und den am besten geeigneten Zelltyp zu identifizieren, wurde die Zellen verschiedenen elektrochemischen Vorcharakterisierungstests (Langzeitzyklentest mit Standard-Ladeverfahren, Warmlagerungstest, Ratentest) unterzogen. Basierend auf den Ergebnissen wurde eine vorläufige Bewertungsmatrix für die verschiedenen Zelltypen erstellt (siehe Abbildung). Die Ergebnisse zeigen, dass bislang drei der vier Zelltypen (Typ 1,3,4) prinzipiell für das Schnellladeverfahren in Frage kommen. Besonderer Schwerpunkt der weiteren Untersuchung ist die Alterung dieser Zelltypen. Hierfür werden Exemplare von jedem Typ geöffnet, Kathoden-, Separator- und Anodenmaterial entnommen und in Laborzellen mittels 3-Elektroden-Messungen untersucht. Der Aufbau mit Referenzelektrode ermöglicht es die Degradation elektrodenspezifisch zu analysieren und den Ladestrom, ab dem eine beschleunigte Alterung bzw. Li-Plating an der Anode auftritt, zu identifizieren. Anhand der Ergebnisse wird ein dynamisches Ladeverfahren erstellt, welches das Vollladen innerhalb einer Stunde gewährleisten soll.

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The need and impact of well-defined test conditions for operational recommendations: comparing performance and ageing tests of commercial Li-ion 18650 cells

Autoren des PostersFenske, D.; Freese, S.; Koster, D.; Schwenzel, J. (Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung - IFAM)

AbstractAim: The life time of lithium-ion-based batteries is crucially affected by the type of application and individual user requirements. Exact testing conditions and diverse analyzing methods will be combined for evaluating the superior operation conditions of the investigated cells and szenarios. Method: Degradation processes in the cell manifest themselves in capacity losses and an increase in internal resistance during operation, where the condition of a cell is commonly characterized in terms of its state-of-health (SOH). A detailed understanding of the aging behavior requires the investigation of the cell under different experimental conditions. Therefore, in this work the influence of different load profiles on the performance and SOH of battery cells was analyzed in order to develop optimized strategies for exploiting their maximum efficiency. To do so, aging tests were performed at commercial 18650 cells using different charge/discharge scenarios to simulate different user profiles. Additionally, the cells were equipped with sensor technology in order to detect variations in temperature and tensile strain during cycling. Correlated post-mortem analysis of the components of the cell (SEM, TG, Raman-spectroscopy) addresses morphological and chemical changes upon operation. Results: The measurements reveal that besides normal and fast charging the pulse charging leads to the lowest capacity fade irrespective of the choice of the discharge profile, thus making this load szenario particularly amenable for application. Based on these results it was possible to develop optimized operating instructions, which allow for efficient usage and an increase in battery life time. Discussion: The work reveals also the importance of well-defined test conditions indicating the need of standarized testing for giving reliable recommendations for cell operation.



Model-based battery diagnostics inside an electric vehicle using parameter identification


Autoren des PostersScholz, T.; Pautzke, F. (Bochum University of Applied Sciences, Electric Vehicle Institute), Schmuelling, B. (University of Wuppertal, Chair of Electric Mobility and Energy Storage Systems)

AbstractResearch Objectives The prediction of voltage behaviour and capacity of lithium battery systems during their lifetime is crucial. To measure the properties of battery cells and ensure a sufficient lifetime for certain applications, extensive testing is necessary. A generalized testing routine can’t cover up the whole life cycle of a battery in a certain application, since environmental influences like temperature and load characteristics can’t be foreseen but have a significant impact on the degradation process. Therefore, this project addresses the optimization of the battery management algorithms to determine the state of health (SOH) by calculating and monitoring current battery parameters in situ and analyzing the change of behavior over the course of usage. Consequently, using different measurement and modelling methods to enable adaptive recalculation and to provide a battery profile for optimal second life configurations.

Methods To generate the required data base to parameterize an extended Thévenin reference model, standard measurement methods like constant current or pulse measurement are applied. These methods allow the separation of effects responding to a specific influence. To derive open-circuit voltage, resistance and capacity over the course of state of charge from test procedures, established parameter identification algorithms are used. To improve the battery diagnostics in situ, algorithms have to be implemented, which derive the same battery parameters from current driving data, which is available in the electric vehicle. Therefore, the given battery model is used inside an electric vehicle simulation to allow SIL-Testing.

Results A customized algorithm to parametrize Thévenin models was built with a single-digit accuracy and low computational cost, which is needed for in-vehicle usage. Furthermore, an EV simulation representing a Peugeot iOn has been developed and verified using logged drive cycle data. For additional parameter identification of the EV battery system, 26 driving hours were analyzed to determine voltage behavior, resistance, capacitance and occurred temperatures. Calculated parameters were verified using the battery and vehicle simulation reaching an accuracy of <5%.

Discussion Adaptive parameter identification of battery systems using pattern recognition can be used inside of a battery management system. The advantage of a reliable in situ algorithm for SOH estimation is a reduced measurement effort beforehand and better knowledge about aging and suitability in second life applications of specific batteries/cells.

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Segmentierte Stromabnehmer zum Messen von Stromdichteverteilung und ortsaufgelöste Impedanzspektroskopie


Autoren des PostersKopljar, D.; Wagner, N.; Friedrich, K. A. (DLR)

AbstractZiel: Beim Übergang vom Labormaßstab hin zu großformatigen Zellen in der technischen Anwendung stellen lokale Unterschiede in der Belastung der Materialien eine besondere Herausforderung für Langlebigkeit und Sicherheit dar. Diese Effekte treten im Betrieb als Temperaturgradienten und Stromdichteunterschiede innerhalb der Zelle und entlang den Elektrodenflächen in Erscheinung. Über den Lebenszyklus der Zelle hinweg werden diese lokalen Unterschiede aufgrund der fortschreitenden Alterung der Zelle weiter verstärkt, was im schlimmsten Fall die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen kann. Methodik Während Modellierung und Simulation einen Einblick in lokale Zustände erlauben,[1] sind diese Effekte experimentell nur schwer und mit erheblichem Aufwand zugänglich, insbesondere, wenn das Verhalten der Zelle durch die Einbringung der Messtechnik nicht substantiell verändert werden soll. Ein Ansatz, welchen das DLR verfolgt ist die Verwendung der sog. segmentierten Zelle. Hierfür wurde ein segmentierter Stromabnehmer und die dazugehörige Messtechnik entwickelt, die es erlaubt Segmente auf der Elektrode einzeln zu kontaktieren und den Strom der jeweiligen Segmente aus der Zelle herauszuführen.[2] Dadurch lässt sich die Stromdichteverteilung aufnehmen, um Informationen über das Ausmaß von Inhomogenitäten im Betrieb zu erhalten. Darüber hinaus kann mittels ortsaufgelöster Impedanzspektroskopie untersucht werden, wie diese die lokale Alterung über den Lebenszyklus beeinflussen und, wie dieser über die Wahl der Betriebsbedingungen und Zelldesign effektiv entgegengewirkt werden kann. Ergebnisse: Im Beitrag soll das Prinzip der segmentierten Zelle vorgestellt und erste Proof-of-Conzept-Messungen gezeigt werden. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf den Einfluss des Lade- und Entladestroms gelegt. Wie bereits aus der Literatur bekannt, entstehen im Betrieb kritische Stellen nahe der Tabs, in welcher die Stromdichte besonders hoch ist, was zu Temperaturspitzen und verstärkter Alterung führen kann. Zum Validieren der Ergebnisse wurden außerdem Simulationen mittels eines Impedanz-basierten Netzwerkmodells durchgeführt, welche diese Beobachtungen bestätigen. Literatur: [1] Kosch et al. (2018), Journal of The Electrochemical Society 165, A2374-A2388 [2] Wagner, N.; Dreizler, A.; Schneider, D., DE102017109233A1, 2017

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Anforderungsanalyse an Traktionsbatterien in Batterie-Oberleitungshybridtriebzügen (Battery Electric Multiple Unit - BEMU) im Schienenpersonennahverkehr (SPNV)


Autoren des PostersSchirmer, T.; Pagenkopf, J. (DLR)

AbstractEtwa 40 Prozent des deutschen Schienennetzes ist nicht elektrifiziert. Auf nicht- und teilelektrifizierten Strecken verkehren heute Dieseltriebfahrzeuge, die perspektivisch komplett durch elektrifizierte Triebzüge (Oberleitungstriebzüge, Batterie-Oberleitungshybridtriebzüge (BEMU) und Brennstoffzellenhybridtriebzüge) ersetzt werden sollen. In dieser Arbeit werden für existierende nicht- und teilelektrifizierte SPNV-Strecken die notwendigen Nachelektrifizierungslängen bei vorgegebener Batteriekonfiguration und die damit verbundenen Anforderungen an Traktionsbatterien bzgl. mittlerer C-Rate und Energiedurchsatz für den Einsatz in BEMU untersucht. Für ein generisches zweiteiliges BEMU wird eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem installierten Energieinhalt von 500 kWh (nutzbar 320 kWh) berücksichtigt. Das zur Einhaltung der Fahrpläne von fünf repräsentativen realen SPNV-Strecken in Deutschland über Längsdynamiksimulationen berechnete Leistungsprofil an der Batterie bildet die Grundlage der Analyse. Es wurden drei Ergänzungselektrifizierungs-Varianten unter Berücksichtigung der bereits bestehenden Oberleitungs-Elektrifizierung untersucht (V1: Ausgehend von einem Startbahnhof (Start-Bf); Ausgehend von Start- und End-Bf; V3: Ausgehend von Start- und End-Bf + Ladestation). Für die Varianten V1 bis V3 werden die Ergänzungselektrifizierungen sukzessive in 0,1 km-Schritten erweitert (bei V2 und V3 gleichverteilt auf Start- und End-Bf). Für jede neue Elektrifizierungskonfiguration wird die C-Rate in 0,1-Schritten auf maximal 3C erhöht, bis die erste realisierbare Kombination aus Ergänzungselektrifizierung V1-V3 und C-Rate unter den definierten Randbedingungen (ausgeglichener Batterieladezustand, größter Lade-/Entladehub ≤ nutzbarer Energieinhalt der Batterie) erreicht ist. Die Simulationsergebnisse zeigen eine deutliche Reduzierung der notwendigen Nachelektrifizierungslängen im Fall gleichzeitiger Elektrifizierung von Start- und End-Bf (V2). Eine zusätzliche Ladestation auf der Strecke (V3) führt i. d. R. zu den geringsten notwendigen Oberleitungslängen, jedoch auch zu höheren mittleren Lade-C-Raten. Weiterhin erhöhen sich Energiedurchsatz und RMS-Leistung bei geringeren Nachelektrifizierungslängen. Mit dem dargestellten Ansatz können Strecken hinsichtlich technisch realisierbaren und wirtschaftlich sinnvollen Kombinationen aus Nachelektrifizierungslängen und Batteriekapazität ermittelt werden. Im nächsten Schritt kann damit ein Optimierungsproblem aufgestellt werden, mit dem minimale Kosten der Elektrifizierung und Batterieausrüstung bestimmt werden können.

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ProjektBaSiS – Entwicklung einer physikalisch basierten und experimentell validierten Multiskalen-Simulationsmethodik zur Prädiktion des Crashverhaltens von Lithium-Ionen-Batterien und zur frühzeitigen Sicherheitsbewertung von Zelldesigns


RessortBMWi

Autoren des PostersDoose, S.; Hahn, A.; Rahlfs, S.; Haselrieder, W.; Kwade, A. (TU Braunschweig, Institut für Partikeltechnik, Battery LabFactory Braunschweig)

AbstractNowadays lithium ion batteries (LIB) became one of the key technologies for energy storage. The most important application is energy supply for mobile devices as well as for battery electric vehicles (BEV), hybrid electric vehicles (HEV) and plug-in hybrid vehicles (PHV) because of their high energy density and their advanced stage of development. Therefore, LIB’s are not simply rated by their performance parameters but also by issues of safety. With respect to the interaction of electrical and chemical hazards as well as emergence of fire and explosions, the thermal runaway represents the main risk potential related to the extended use of LIB’s. During thermal runaway, exothermal chemical reactions trigger further exothermal reactions, leading to the release of flammable and toxic gases plus particles. For safety studies a thermal runaway can be provoked by direct heating, overcharging or short circuit events. Such events can be analyzed via temperature and voltage monitoring, as well as measurements (qualitative and quantitative) of gaseous products and post mortem studies. This study presents results of nail penetration tests in a custom-made battery cell investigation chamber. This chamber allows the determination of parameters which influence the response of battery cells to internal short circuit experiments. The response is analyzed via measurement of cell voltage, temperatures as well as camera recording. Infrared gas species are identified and analyzed in-line by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The cells investigated in this study are manufactured, formed and electrochemically characterized in the Battery LabFactory Braunschweig. Cells of different capacity are tested using a conductive nail material to determine the minimum required capacity to trigger a thermal runaway while using constant cell parameters. Subsequently the influence of the temperature evolution during thermal runaway as well as the shape of the voltage drop of cells with different capacity are correlated with the gaseous reaction product amounts. Last but not least this study points out the scaling possibility of nail penetration experiments in lab scale for testing with low capacity battery cells. This results enable to development of safer and more efficient batteries for various use scenarios.

EF10

Scalability of Nail Penetration Tests to predict the Thermal Runaway behavior of LiB

sowie Arbeiten zu Festkörperbatterien

Kompetenzcluster FestBatt



ProjektFestBatt-Oxide – Materialplattform „Oxide“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

Autoren des PostersSchiffmann, N.; Bucharsky, E. C.; Schell, K. G.; Hoffmann, M. J. (Institut für Angewandte Materialien - Keramische Werkstoffe und Technologien, Karlsruher Institut für Technologie (KIT))

AbstractFür Batterien der nächsten Generation werden derzeit verschiedene Festkörperelektrolyte als Ersatz für die aktuell gängigen Flüssigelektrolyte mit dem Ziel untersucht, die Bauteilsicherheit und die Energiedichte zu verbessern. Innerhalb des Kompetenzclusters FestBatt ist neben der Entwicklung hochleitfähiger Festkörperelektrolyte auch die Frage zur industriellen Umsetzung ein Kernthema. Aufgrund seiner hohen Li-Ionenleitfähigkeit stellt Lithiumtitanaluminiumphosphat (LATP) einen potenziellen Kandidaten für den Einsatz als Festkörperelektrolyt dar. Mit dem Sol-Gel-Prozess ist es bereits möglich, das Material im Labormaßstab in hoher Reinheit und mit einer maximalen Li-Ionenleitfähigkeit in der Größenordnung von 10-3 S/cm bei Raumtemperatur herzustellen. Ein möglicher Einsatz in einer Batteriezelle erfordert jedoch eine Hochskalierung der Synthese. Als erster Schritt in Richtung großtechnischer Umsetzung wurde untersucht, wie robust der Sol-Gel-Prozess gegenüber möglichen Schwankungen bei der Synthese ist. Um ein mögliches Prozessfenster festzulegen, wurden Versuche im Temperaturintervall von 800 bis 1.100 °C bei Haltezeiten von 10 bis 480 Minuten durchgeführt. Die Untersuchung der resultierenden Phasenzusammensetzungen und Kristallstrukturen erfolgte mittels Röntgenbeugung. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopie wurden darüber hinaus die elektrischen Eigenschaften der hergestellten Materialien charakterisiert. Die Mikrostruktur gesinterter Pellets wurde analysiert und sowohl mit der Dichte, als auch mit der Ionenleitfähigkeit korreliert. Es zeigt sich, dass die Qualität der Präkursoren die Bildung von Zweitphasen wie Aluminiumphosphat und LiTiOPO4 stark beeinflusst, was sich direkt auf Eigenschaften wie Ionenleitfähigkeit, Verdichtungsverhalten und die Mikrostrukturentwicklung auswirkt.

KF01

Einfluss der Synthesebedingungen auf die Eigenschaften von LATP





RessortBMBF

Autoren des PostersOdenwald, P.; Bauer, A.; Wolff, M.; Tsai, C.-L.; Uhlenbruck, S.; Fattakhova-Rohlfing, D.; Guillon, O. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research, Materials Synthesis and Processing (IEK-1))

AbstractObjective: Solid-state batteries are intensively investigated as a disruptive energy storage technology. Oxide and phosphate-based Li-ion conductors such as Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3 (LATP) and Li6.45La3Zr1.6Ta0.4Al0.05O12 (LLZ) show properties like improved safety and electrochemical stability compared to incumbent Li-ion battery technologies, but also require treatment at elevated temperatures. We present advanced processing methods for these ceramic electrolyte materials. By applying various surface coatings on electrolyte particles and electrode-electrolyte interfaces we improved the sintering behavior and the electrode compatibility.

Methods: LATP solid electrolyte powder was prepared by solution-assisted solid-state-reaction (SASSR), whereas LLZ was prepared via a solid state reaction. Sintering additives were dispersed along with the oxide-based electrolyte powder to perform screening tests. Further, wet coating methods employing organometallic precursors were developed for powders and planar substrates. The resulting solid electrolyte materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), microscopic imaging and conductivity measurements.

Results and discussion: A mixture of Al- and B-alkoxide was used to modify the conventional LATP. Phase-pure LATP was confirmed for pellets of modified and unmodified LATP by XRD, and the relative densities after sintering exceeded 90 % for both the modified and unmodified powder. Symmetric cells with the modified LATP-electrolyte and sputtered Au-electrodes showed an improved ionic conductivity at room temperature. Trilithium borate and lithium fluoride were identified as the most effective sintering additives among those investigated in conjunction with LLZ, yielding a relative density of 89 % and improved conductivity compared to conventional LLZ.

KF02

Superior sintering behavior and ionic conductivity: Facile coating methods for improved electrolyte materials





RessortBMBF

Autoren des PostersWolter, M.; Beaupain, J. P.; Auer, H.; Wätzig, W.; Nikolowski, K.; Schilm, J.; Kusnezoff, M.; Matthey, B. (Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, Dresden), Michaelis, A. (Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, Dresden; Technische Universität Dresden)

AbstractThe all-solid-state battery is a promising storage technology for electromobility and many other applications. Compared to the state-of-the-art lithium ion batteries, higher energy densities and long life performance with high safety can be achieved. The solid electrolyte, which replaces the liquid electrolyte, is considered to be one of the essential components responsible for the improved properties of solid-state batteries. One candidate for the lithium ion conductive electrolyte is the Li-Al-Ti-Phosphate (LATP). In the platform “oxides” of the competence cluster ‘FestBatt’ the up-scaled synthesis and optimization of phosphate based lithium ion conducting electrolyte materials are addressed. The main goals of the project are: - Development of reproducible reference materials (amorphous and crystalline LATP materials) - Development of specific test setups and dedicated electrochemical analytics for LATP-based solid-state cells - Up-scaling of the material synthesis to technical scale (> 1 kg) Besides these core goals the use of phosphate based electrolytes as catholyte is investigated. For the processing of a composite cathode employing phosphate-based electrolytes, a sintering step is required. Therefore, the stability of the electrolyte in combination with the cathode’s active material (e.g. NCM622) has to be investigated. In the poster presentation the achievements in frame of the projects and with respect to material synthesis, electrochemical characterization and interaction mechanisms in a composite cathode during sintering are shown.

KF03

Phosphate based electrolytes – up-scaled synthesis and optimized properties



ProjektFestBatt-Thiophosphate – Materialplattform „Thiophosphate“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

Autoren des PostersGrube, M. (Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig), Hofer, M. (Institut für Partikeltechnik, TU Braunschweig), Zellmer, S. (Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig), Michalowski, P. (Institut für Partikeltechnik, TU Braunschweig), Kwade, A. (Institut für Partikeltechnik, TU Braunschweig)

AbstractFestkörperbatterien (ASSB) gelten als nächster großer Entwicklungsschritt der Lithium-Ionen-Technologie. Der Ersatz von Flüssigelektrolyten durch einen Feststoff besitzt das Potenzial erhöhter Sicherheit, Ratenfähigkeiten und einer deutlich höheren Energiedichte durch den Einsatz von Lithium-Metall-Anoden. Die versch. Klassen von Festelektrolyten (Oxide, Polymere & Sulfide) weisen Vor- und Nachteile auf, z. B. hinsichtlich Kosten, Verarbeitbarkeit und elektrochemischer Eigenschaften. Um wettbewerbsfähige ASSB zu entwickeln, ist es entscheidend, geeignete Materialien zu identifizieren und deren Verfügbarkeit zu gewährleisten. Lithium-Thiophosphate sind aufgrund hoher ion. Leitfähigkeiten und günstiger mechanischer Eigenschaften eine vielversprechende Materialklasse. Eine Herausforderung auf dem Weg zur Festkörperbatterie ist, die derzeit hohen Kosten der Elektrolyte durch die Skalierung effizienter Prozesse zu reduzieren.[1-3]

Die Synthese sulfidischer Festelektrolyte kann durch mechanochemische Verfahren beispielsweise in gut skalierbaren Kugelmühlen realisiert werden. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Untersuchung bisher nicht vollständig verstandener Prozess-Produkt-Wechselwirkungen und der Skalierung geeigneter Prozesse. Die Herstellung von amorphem Li3PS4 in Planetenmühlen im Labormaßstab benötigt derzeit 25 bis 30 Stunden bis zum vollständigen Umsatz. Werden die benötigten Kühlpausen der Mühlen berücksichtigt, ergeben sich Prozesszeiten von mehreren Tagen.[4] Aktuell wird daher ein Referenzprozess im Labor durch eine systematische Parameterstudie optimiert, um die entscheidenden Reaktionsmechanismen zu identifizieren. Variiert werden u. a. Mahlkörperdichte, -größe und Prozesstemperaturen. Insbesondere ein temperierter Prozess verspricht eine deutliche Reduktion der Gesamtprozesszeit. Zur Untersuchung der Prozess-Produkt-Wechselwirkungen werden die Elektrolyte u. a. mittels XRD, Raman-Spektroskopie und REM charakterisiert. Die ionische Leitfähigkeit als wichtiger Indikator für die Produktqualität wird durch EIS bestimmt. Durch das so gewonnene Prozessverständnis lassen sich die Synthesen auf größere und kontinuierlich betriebene Mühlen übertragen, wodurch ein wichtiger Beitrag zur effizienteren Herstellung von leistungsfähigen Elektrolyten für ASSB im industriellen Maßstab geleistet werden kann. [1] Janek, J.; Zeier, W., Nat Energy 1, 16141 (2016) [2] Kato, Y., et al., Nat Energy 1, 16030 (2016) [3] Zhang, Z., et al., Energy Environ Sci 11, 1945-1976 (2018) [4] Stöffler, H., et al., J Phys Chem C 123, 10280−10290 (2019)

KF04

Skalierbare Synthese sulfidischer Festelektrolyte





RessortBMBF

Autoren des PostersSchneider, C. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Harm, S. (Ludwig-Maximilians-Universität München), Hatz, A. K. (Ludwig-Maximilians-Universität München), Joos, M. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Münchinger, A. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Moudrakovski, I. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Eger, R. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Kuhn, A. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Schneider, T. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Usiskin, R. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), Hoch, C. (Ludwig-Maximilians-Universität München), Maier, J.; Lotsch, B. V. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Ludwig-Maximilians-Universität München)

AbstractThe ever-growing demand of readily available energy for all sorts of applications has been addressed ever since the 1970s in the form of lithium ion batteries (LIBs). This importance has just been recognized by the Nobel prize in Chemistry awarded to J. B. Goodenough, M. S. Whittingham, and A. Yoshino. The ubiquitous use of LIBs in traffic, mobile devices, and energy-storage has raised societies’ safety and reliability expectations, while for future fields of battery applications increasing power and energy densities are vital. A new cell design, using a solid instead of a liquid-based electrolyte (called all-solid-state battery or ASSB), promises to overcome the current limitations of LIB technology. Our research focuses on the identification, synthesis and characterization of new sulfide-based ion conductors for ASSBs, as part of the thiophosphate group within the BMBF funded FestBatt-Cluster. The aim of our effort lies on synthesizing new materials with high ionic conductivity and stability by means of classic solid-state synthesis as well as soft chemistry methods and mechano-chemistry. Since these new materials require complete characterization to fully understand the underlying principles of ion conduction, we apply different methods of investigating important properties. Structural analysis is done by X-ray diffraction, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and Raman spectroscopy. The morphology and elemental composition is probed with electron microscopy paired with energy-dispersive X-ray spectroscopy. For investigation of electrochemical properties, we perform impedance spectroscopy and polarization experiments. To further support the transport measurements, we compare the measured ionic conductivity with diffusion coefficients derived from pulsed-field-gradient NMR. Calculating bond valence sums help in understanding conduction pathways and identifying the dimensionality of conduction. Here, we present the synthesis, structure, chemical stability and transport properties of different sulfide-based ion conductors, including Li7SiPS8 and Li2Sn2S5. We show how comprehensive structural analysis helps to identify the interplay of amorphous and crystalline parts in the LGPS-type solid electrolyte Li7SiPS8 and how it limits the overall conductivity. Furthermore, we discuss the reversible hydration in layered solid electrolytes and how water intercalation into the layers affects lithium ion conductivity and diffusivity in humidified samples.

KF05

New Insights into the Chemistry and Ionic Transport Properties of Sulfide-based Lithium Solid Electrolytes





RessortBMBF

Autoren des PostersGhidiu, M. J. (Justus Liebig Universität Gießen), Zeier, W. G. (Justus Liebig Universität Gießen)

AbstractLithium thiophosphates, some of the more promising electrolyte materials for all-solid-state batteries, are often made through energy intensive high-temperature or mechanochemical routes. Solution synthesis has the promise to reduce synthesis time and costs, along with the added potential of high scalability. In our work under the FestBatt project on solution synthesis of thiophosphate electrolytes, we set out to discover new synthetic routes and improve existing ones through new chemistry for scale-up. Li3PS4 is typically produced in solution from P4S10 (having an adamantine-like cage structure which may lower its reactivity) and Li2S in solvents such as tetrahydrofuran and acetonitrile. We have utilized Lewis bases in a pre-reaction step to “break the cage” of P4S10 into stabilized P2S5, as a new crystalline starting material, drastically reducing reaction time in solution from over 24 hours to 4 hours. This new chemistry offers a highly controllable scheme, with β-Li3PS4 as the final product. In fact, because of the nature of the stabilized P2S5, β-Li3PS4 was even produced in a purely solid-state reaction. We believe the boost in reaction efficiency is enough to make this system highly attractive for further exploration.

KF06

New solution synthesis routes for thiophosphates via Lewis bases





RessortBMBF

Autoren des PostersBurkhardt, S.; Minnmann, P.; Walther, F.; Koerver, R.; Richter, F.; Zeier, W. G.; Janek, J. (Justus-Liebig-Universität Gießen)

AbstractMeeting the specifications of electric vehicles (EVs) calls for improvements of the electrochemical energy storage systems they are powered by. The lithium-ion battery (LIB) is one of the most relevant energy storage systems today, but appears to reach its fundamental limits without meeting EV-requirements regarding higher specific energy and power. Alternative systems like all-solid-state-batteries (ASSBs) promise to avoid drawbacks of conventional LIBs, such as thermal runaway due to dendritic lithium growth at elevated current densities. They are also likely to have advantageous properties, e.g. in terms of safety and packing efficiency. The applicability of different materials as solid electrolyte (SE) in ASSBs is currently assessed. Thiophosphate-based SEs attract great interest due to their high ionic conductivity and their capability for low-cost, room temperature processing. However, electrochemical degradation of the interfaces between the SE and the electrode materials lowers cell performance of the ASSBs they are used in. The limited electrochemical stability of thiophosphate-based SEs almost inevitably leads to the in-situ formation of an interphase layer of degradation products. Only little is known about their chemical composition and influence on the overall cell performance. Furthermore, the chemo-mechanical properties of the compounds in composite electrodes determine the contact between the SE and the cathode active material (CAM). The volume changes of CAMs upon delithiation cause contact losses, thereby deteriorating cycle stability and rate capability. As sufficient charge-transport pathways in composite electrodes are required, this aspect remains important to consider. Degradation processes taking place at the interfaces in ASSBs substantially determine cycling performance. Our research within the competence cluster for ASSBs (FestBatt) concentrates on investigating interfaces using thiophosphate solid electrolytes and intercalation-type cathode active materials, in order to increase and maintain battery performance. The chemical composition of interphases formed by degradation is investigated by in-situ X-ray photoelectron spectroscopy. The growth of interphases is studied by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In addition, the influence of the morphology of composite electrodes on charge transport is examined by combining results from FIB-SEM and EIS analysis. The combination of our experimental approaches lays the foundations for developing strategies directed at improving the performance of ASSBs.

KF07

Understanding Interfacial Challenges in Solid-State Batteries



ProjektFestBatt-Polymere – Materialplattform „Polymere“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

Autoren des PostersBrunklaus, G.; Winter, M.; Chiou, M. H.; Chen, Y. H.; Overhoff, G.; Röring, P.; Liu, K. I.; Krause, D.; Wiemhöfer, H. D. (HI MS); Chen, Z.; Mayer, A.; Liu, H. P.; Dong, X.; Steinle, D.; Bresser, D.; Passerini, S. (HIU); Weiß, I.; Subarew, M.; Butzelaar, A.; Voll, D.; Theato, P. (KIT)

AbstractLithium metal batteries (LMBs) constitute a promising approach to achieve higher energy densities for next generation energy storage devices despite that required materials and processing technologies are currently less developed compared to today´s commercially available lithium ion batteries. Since inhomogeneous lithium metal deposition during repeated cycling of LMBs may be successfully tamed by mechanically robust and structurally highly flexible polymer electrolytes, the polymer platform within the BMBF competence cluster solid state batteries (FestBatt) focusses on the development of application-oriented high performance polymer electrolytes (supported by computational modelling), the establishment of reasonably up-scalable routes for materials production and strategies for processing as well as identification of reliable key criteria for materials assessment. Though the portfolio of available polymer electrolytes suitable for assembly of solid state batteries is yet expanding, several particularly promising candidates currently evolved from dedicated efforts within the FestBatt polymer platform, including a quasi-solid fluorinated poly-sulfonamide (PSA), (affording an ionic conductivity of 1.4 mS cm-1 at 30 °C, superior oxidative stability window of 4.5 V and long term stability against Li metal), as well as poly(isoprene)-b-poly(styrene)-b-poly(ethylene oxide) triblock copolymer (ISO) that unlike traditional PEO has ultra-short PEO chains and an excess of local Li salt concentration (allowing for an ionic conductivity better than 1 mS cm-1 above 0 °C). In addition to variants of poly(arylene ethers), self-extinguishing nanostructured multi-block co-poly(arylene ether sulfone) single-ion conductors including molecular transporters that allow for ionic conductivities of 1 mS cm-1 at 30 °C, excellent stability vs. Li metal without any indication for dendrite formation, and long-term stable cycling of Ni-rich NMC cathodes, are among the promising polymer electrolytes. Further advances are also made in systematically screening of polyether based side chain (co-) polymers, which indeed suppress PEO crystallization and hence avoid the use of plasticizers, leading to a structural fine tuning of mechanical stability and ionic conductivity. Taken together, these examples convincingly demonstrate that the joint expertise within the BMBF FestBatt polymer platform facilitates important steps forward towards a future large-scale utilization of polymer electrolytes for high performance solid state battery applications.

KF08

BMBF Competence Cluster FestBatt: Polymer Platform



ProjektFestBatt-Polymere – Materialplattform „Polymere“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

Autoren des PostersBorzutzki, K.; Dong, D.; Wölke, C.; Kruteva, M.; Stellhorn, A.; Winter, M.; Brunklaus, G.; Bedrov, D. (Forschungszentrum Jülich, IEK-12: Helmholtz Institut Münster)

AbstractLithium metal is considered as high capacity anode material for applications in electric vehicles, though safety issues due to formation of inhomogeneous high surface area Li deposits upon battery cycling restrict cell lifetime and efficiency. Polymer electrolytes beneficially control Li deposition due to their advantageous mechanical properties compared to liquid electrolytes, where single-ion conductors, in which anions are bound to the polymer backbone so that solely Li-ions are mobile, are of substantial interest despite that contemporary polymer electrolytes, often cannot compete with their liquid counterparts in terms of ionic conductivity, a key parameter to enable fast charging procedures required for commercial application. In contrast to materials design based on chemical intuition or trial-and-error approaches, our versatile strategy combines molecular dynamics (MD) simulations and experimental data to unambiguously reveal molecular scale key correlations between variations in the polymer structure and Li+ transport mechanisms, particularly focusing on polyamide/polyamine-based single-ion conducting quasi-solid polymer electrolytes, which are readily available from poly-condensation, an industrially established polymerization method with typically high yields. The significance of chemical groups in the polymer backbone is demonstrated, complementary applying atomistic MD simulations, experimental small angle X-ray scattering and electrochemical Li ion transport data. Exchanging SO2 moieties by C(CF3)2 groups notably turned achievable macroscopic morphologies from highly porous to rather dense structures while substantially increasing achievable ionic conductivities. Analysis of Li+ binding sites and residence times disclosed that the Li+ interactions are dominated by polar groups as Li+ traps along the polymer backbone which could be successfully mitigated upon modification of the fluorinated polymer backbone, affording a polyamine with significantly improved electrochemical properties including high electrochemical stability and applicability in transition metal oxide (NMC)/Li based batteries. This contribution constitutes an important step towards future large-scale utilization of quasi-solid polymer electrolytes for high rate performance cell applications while paving the way for systematic improvement of polymer electrolytes based on computational chemistry.

KF09

Towards fast charging - Enhanced Li+ Transport in Single- Ion Conducting Polymer Electrolytes by Modification of the Chemical Structure



ProjektFestBatt-Daten – Methodenplattform „Theorie und Daten“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

Autoren des PostersNeumann, A.; Becker-Steinberger, K.; Hein, S.; Danner, T.; Latz, A. (Helmholtz Institut Ulm, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt Stuttgart, Universität Ulm), Ning, Z.; Marrow, J. (Oxford University), Randau, S.; Richter, F. H.; Janek, J. (Justus Liebig Universität)

AbstractAll-solid-state batteries (ASSB) are candidates for the next-generation of safe and high energy density storage systems. However, energy and power density are currently limited by microscopic processes at the interfaces as well as macroscopic processes on the cell level. As part of the FestBatt Cluster, we explore the working principle of sulfidic ASSBs through a cross-platform approach combination of theoretical and experimental methods. In order to gain insight into the limiting processes and give directions for the development of future ASSBs, we developed a numerical framework to capture the electrochemical processes by combining thermodynamic consistent modeling and microstructure resolved 3D simulations. This approach enables us to include virtual electrode reconstructions based on experimental measurements to improve the simulation accuracy and account for additional material features. The investigated sulfidic cell systems consist of the solid electrolyte ß-LiPS4 and the nickel-rich layered oxide NMC622 as the active material. To account for the material inherent transport limitations in the electrode, our model is further expanded through the introduction of state-of-charge dependent transport parameters for conductivity and diffusivity. Furthermore, we account for percolating ion transport pathways in the polycrystalline electrolyte by resolving the grain particles in the solid matter. By introducing a modified interface flux at the grain particle interfaces the lithium-ion hopping probability between two neighboring grains is captured. The introduced simulation framework allows us a precise time-resolved mapping of the cell performance for different cell designs, operation conditions, and material modifications. We present a detailed study on the capacity density, the microscopic lithiation behavior of sulfidic cells under structural, and interfacial modification through conductive agents, solid electrolyte delamination and current collector decontacting. The comparison against the experimental work identifies various performance limiting processes e.g. discontinuous material properties and restricted intercalation processes. Especially, the grain flux model allows to reproduce and identify the experimentally observed impedance characteristics connected to solid electrolyte grain size and grain surface effects. Our simulation-based approach allows for more economic and efficient testing of new battery designs in order to enable high-performance future ASSBs.

KF10

Investigating Limiting Processes for the Electrochemical Performance of Sulfidic All-Solid-State Batteries through Microstructure Resolved Simulations





RessortBMBF

Autoren des PostersSadowski, M.; Haarmann, L.; Albe, K. (TU Darmstadt)

AbstractFestelektrolyte sind Schlüsselkomponenten, um Feststoffbatterien marktfähig zu machen. Mittels High Performance Computing (HPC) Methoden kann die Entwicklung dieser Festelektrolyte schneller vorangetrieben werden. Besonderes Interesse gilt dabei den sulfidischen Festelektrolyten aufgrund hoher Ionenleitfähigkeiten und einfacher Prozessierbarkeit. Eine potenzielle Materialklasse sind Argyrodite mit der Zusammensetzung Li6PS6X (X=Cl, Br, I). Für das Br-haltige Material konnte im Experiment eine S-Br-Unordnung abhängig von den Synthesebedingungen gezielt eingestellt werden. Gleichzeitig wurde eine Erhöhung der Li-Leitfähigkeit festgestellt. Mit Hilfe von Simulationen basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) konnten wir diese Erhöhung klar dem Einfluss der Anionen-Unordnung zuweisen. Während im geordneten Fall Li nur stark lokalisierte Sprünge ausführen kann, ermöglicht die Unordnung auf dem Anionen-Gitter langreichweitige Diffusionspfade mit geringen Migrationsbarrieren. Da viele sulfidische Festelektrolyte zumeist nur als glashaltige Keramiken synthetisierbar sind, liegt ein weiteres Augenmerk auf der Charakterisierung von amorphen Phasen. Diese spielen eine wichtige Rolle in reinen Lithiumthiophosphaten, zu welchen auch die superionische Phase Li7P3S11 gehört. Deshalb wurden im Kompositionsdreieck Li3PS4-Li4P2S7-Li4P2S6 über Cook-and-quench-Simulationen eine Vielzahl amorpher Strukturmodelle generiert. Deren totale Energien aus DFT Rechnungen wurden mit denen der kristallinen Eck-Phasen in Relation gesetzt und zeigen eine generelle Instabilität der Gläser. Darüber hinaus ist ein klarer Trend der Instabilität in Abhängigkeit der Strukturmotive sichtbar: P2S7

4- < PS43- < P2S6

4-.

Zusätzlich wurde eine detaillierte Strukturanalyse durchgeführt, die in Zukunft eine Interpretation von Experimenten, wie der Paarverteilungsfunktion, erleichtert.

Die amorphen Strukturmodelle erlauben im nächsten Schritt eine Untersuchung der inneren Grenzflächen von Glas-Keramiken, die es ermöglicht, eine optimale Mikrostruktur vorherzusagen.

KF11

FestBatt Daten- und Theorieplattform: Modellierung von Festelektolyten auf atomarer Skala





RessortBMBF

Autoren des PostersBecker-Steinberger, K. (DLR), Schmidt, C. (TUM), Neumann, A. (DLR), Möhrle, D. (DLR), Danner, T. (DLR), Horstmann, B. (DLR), Wall, W. (TUM), Latz, A. (DLR)

AbstractAll-solid-state batteries (ASSB) are experiencing a growing scientific interest in recent years as potential next-generation high-voltage batteries with great intrinsic safety. However, these batteries still face challenges, such as the large charge transfer resistances at the various ASSB interfaces, the mechanical stability and short circuits due to dendrite formation. Three solid electrolyte (SE) classes, each providing a unique benefit in regard to their application in ASSB cells, are currently being investigated and discussed: inorganic oxides and sulfides as well as polymer electrolytes. To advance ASSB concepts, fundamental knowledge of the underlying transport and interfacial processes of the different SE classes and their effects on cell performance is essential. At this, the complex interplay of electrochemistry and mechanics require the modelling and simulation of whole cells under consideration of local electrical and mechanical stresses. As part of the Competence Cluster FestBatt we explore these processes by a continuum modelling framework and numerical simulations combining the strengths of two theoretical groups. We apply a variety of different methods ranging from free energy based modeling, to micro-structure resolved electrochemical simulations to numerical mechanics simulations based on high performance computing. The description of the processes in the respective material classes combines, for example, electrochemical-physical transport models and free energy based material models extending earlier work[1] by including mechanical and configurational contributions of detailed structural properties. The effects of space charge zones with locally strong electric fields, and large changes in the mechanical field sizes is included in our microstructure resolved electrochemical simulations[2,3] by theory based input such as differential capacities yielding a multi-scale approach. Extension of former work[4] enables us to simulate a monolithically coupled, microstructure resolved computer model including both electrochemical and mechanical effects. We use these methods to simulate dis/charge, cyclic voltammetry and impedance measurements for ASSBs. Our microstructure resolved simulation approach is validated against experimental data. Furthermore, we study and identify individual contributions of the different interface processes as well as time scales. Finally, we study the relationships between interfacial resistances, mesoscopic interfacial structures, and mechanics. [1] Braun, S.; Yada, C.; Latz, A., J. Phys. Chem. C., 2015, 19, 22249. [2] Latz, A.; Zausch, J., Beilstein Journal of Nanotechnology, 2015, 6, 987-1007. [3] Finsterbusch, M.; Danner, T.; Tsai, C.-L.; Uhlenbruck, S.; Latz, A.; Guillion, O., ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 22329. [4] Fang, R.; Kronbichler, M.; Wurzer, M.; Wall, W. A., Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2019, 350, 803.

KF12

Advancing Battery Research for All-Solid-State Batteries by Microstructure Resolved Electro-Chemo-Mechanical Coupled Continuum Modelling and Simulation




Förderkennzeichen03XP0174E

RessortBMBF

Autoren des PostersSelzer, M.; Brandt, N.; Zhao, Y. (Institut für Angewandte Materialien (IAM-CMS), Karlsruher Institut für Technologie)

AbstractIn der Materialwissenschaft und somit auch in der Batterieforschung wird das Verständnis neuer Materialien immer komplexer. Ohne geeignete Analysemethoden werden die ständig wachsenden Datenmengen aus Simulationen und Experimenten nicht mehr erfassbar sein. Ein wichtiger Aspekt, um entsprechende Datenanalysen reibungslos durchführen zu können, ist die strukturierte Ablage von Forschungsdaten und entsprechender Metadaten. Mit solchen Systemen können neben einer einheitlichen Datenspeicherung interinstitutionelle Hürden genommen, theoretische und experimentelle Daten verglichen sowie reproduzierbare Workflows zur Datenanalyse angeboten werden. Das Verknüpfen der Daten mit persistenten Identifikatoren ermöglicht es anderen Forschern zudem, diese in ihrer Arbeit zu referenzieren. Diese Anforderungen lassen sich unter den Begriffen Forschungsdatenmanagement und Data Science zusammenfassen. Das Ziel von ersterem ist es, Forschungsdaten digital zugänglich zu machen, um damit die Zusammenarbeit von Forschern zu vereinfachen, den sicheren Austausch von Rohdaten zu ermöglichen und die gewonnenen Forschungsdaten langfristig für eine Nachnutzung zu Verfügung zu stellen. Beim Thema Data Science handelt es sich um die datengetriebene Extraktion von Wissen. Hier spielt vor allem das maschinelle Lernen eine zunehmende Rolle bei der Entschlüsselung von Beziehungen zwischen Verarbeitungsstrukturen und -eigenschaften sowie bei der Suche nach latenten Korrelationen in den Datenbeständen. Zu diesem Zweck wird am Institut für Angewandte Materialien des Karlsruher Instituts für Technologie die Karlsruher Dateninfrastruktur für die Materialwissenschaften (KaDi4Mat) entwickelt, welche im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben vorangetrieben wird, darunter das vom BMBF geförderte Projekt FestBatt. Das Ziel der Software ist es, die Möglichkeit der strukturieren Datenablage mit protokollierter und reproduzierbarer Datenanalyse und -visualisierung zu verknüpfen, wobei Technologien und Systeme mit etablierten und neuen Konzepten verbunden werden sollen. Ein erster Demonstrator der Dateninfrastruktur KaDi4Mat ist bereits nutzbar und zeigt, wie die strukturierte Datenablage, der Datenaustausch sowie die Nutzung von Analysetools möglich ist. Zu den weiteren Zielen gehört es, den gesamten wissenschaftlichen Arbeitsablauf der täglichen Forschungsarbeit abzudecken, angefangen von der Erstellung von Daten, der Anbindung von Geräten der Experimentatoren bzw. Simulatoren der Theoretikern, bis zu deren Analyse und letztendlich der Publizierung der wissenschaftlichen Ergebnissen und Daten.

KF13

Entwicklung einer Forschungsdateninfrastruktur für Festkörperbatterien



ProjektFestBatt-Charakterisierung – Methodenplattform „Charakterisierung“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

KF14

2D and 3D analysis of all-solid-state batteries


Autoren des PostersOtto, S. K.; Henss, A.; Sann, J.; Janek, J. (Institute of Physical Chemistry and Center for Material Research, Justus-Liebig-University of Giessen)

Abstract The challenge of energy storage, electro mobility and the growing number of mobile digital devices are the driving force behind intensive research and development efforts on batteries and super-capacitors. Batteries based on Li ions (LIBs) have proven to be efficient energy storage systems and are applied in almost all storage technologies. However, LIBs are restricted by the intrinsic drawback of organic liquid electrolyte, its thermal instability and flammability. In addition, energy density of conventional LIBs will soon reach their limit, while the demand for batteries with even higher energy and power density will grow. To increase the volumetric and gravimetric energy density significantly, the use of solid electrolytes and Li metal as anode are most promising and subject of the Festbatt project. In this context, characterization of electrodes, electrolytes, their interfaces and interphases is necessary to understand degradation processes and optimize cell performance. Such characterization requires a technique that provides chemical information with high lateral resolution and high sensitivity. Therefore, Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) is a promising candidate, as it offers 2D and 3D chemical information in the ppm range and a lateral resolution of up to 100 nm. We use ToF-SIMS to study the interfaces and interphases of solid electrolytes in contact with cathode materials, as well as pure lithium metal to understand Li-diffusion phenomena, formation mechanisms of a (natural) SEI and dendrite formation. Surface analysis, conventional depth profiling and FIB-SIMS analysis to enable a 3D characterization are performed. For comprehensive investigations, we apply X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM) as complementary techniques. We show that ToF-SIMS in combination with XPS, FIB and SEM can reveal chemical and structural information about solid-state batteries in the nm range. We use these techniques to better understand the underlying mechanisms of cell performance and degradation phenomena in order to make progress in the field of Li based all-solid-state batteries. Fig: FIB-SIMS measurements of LATP-NCM composites sintered at different temperatures. Li-diffusion out of NCM particles at higher temperature into the surrounding LATP can be visualized and analysed semi-quantitatively.

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ProjektFestBatt-Charakterisierung – Methodenplattform „Charakterisierung“ im Rahmen des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien


RessortBMBF

Autoren des PostersWeiss, M.; Dierickx, S.; Müller, M.; Weber, A.; Ivers-Tiffée, E. (Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffe der Elektrotechnik (IAM-WET)), Schmieg, J.; Gerthsen, D. (Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM))

AbstractThe all-solid-state battery is based on the concept of a solid electrolyte separating anode and cathode and gives a new perspective to high specific energy and power density.[1] In this respect, three promising material classes for solid electrolytes are currently being discussed; oxides, polymers and sulfides. The garnet-type oxide Li7La3Zr2O12 (LLZO) has a medium to high lithium-ion conductivity and distinguishes itself by its stability against lithium metal. However, poor adhesion of lithium metal to the LLZO solid electrolyte may cause a high interfacial resistance for the charge transfer of lithium-ions. This work demonstrates a comprehensive evaluation of the Li/LLZO interface by introducing indium-based buffer layers. A detailed characterization of the interfacial resistance and the limiting transport processes in the LLZO will be presented. The comprehensive procedure requires four subsequent steps: (1) accurate impedance spectroscopy measurements from 120 MHz to 1 mHz[2], (2) post processing of the high frequency impedance data set followed by (3) the DRT analysis.[3] Further analysis by scanning electron microscopy enables (4) fitting a physically meaningful equivalent circuit model to the impedance data. As a consequence, three major polarization contributions are separated and contributions of (i) the LLZO bulk, (ii) the LLZO grain boundary and (iii) the Li/LLZO interface are quantified. References [1] Janek, J.; Zeier, W. G., Nat. Energy, vol. 1, p. 16141, Sep. 2016. [2] Schönleber, M.; Klotz, D.; Ivers-Tiffée, E., Electrochim. Acta, vol. 131, pp. 20–27, 2014. [3] Schichlein, H.; Müller, A. C.; Voigts, M.; Krügel, A.; Ivers-Tiffée, E., J. Appl. Electrochem., vol. 32, pp. 875–882, 2002.

KF15

Detailed electrochemical characterization of LLZO grain and grain boundary resistance and LLZO/Lithium interface resistance



ProjektProFeLi – Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode


RessortBMBF

Autoren des PostersDashjav, E.; Dellen, C.; Grüner, D.; Davaasuren, B. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research), Uhlenbruck, S.; Tietz, F.; Guillon, O. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research IEK-1: Materials Synthesis and Processing; Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy; Helmholtz-Institute Münster, c/o Forschungszentrum Jülich GmbH), Fattakhova-Rohlfing, D. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research; Helmholtz-Institute Münster, c/o Forschungszentrum Jülich GmbH; Faculty of Engineering and Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE))

AbstractTape casting is a promising technique for scalable and low-cost production of all-solid-state batteries, but the optimization of the tape casting process and co-sintering of foils regarding their thicknesses and desired properties is a challenging task. The sintered foils should be dense, flat, mechanically stable and electrochemically active. Furthermore, the solid electrolyte and the composite cathode should be co-sintered without reactions between the solid phases. We present the preparation and electrochemical characterization of tape-cast co-sintered cathodes composed of Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3 (LATP) solid electrolyte and two types of olivine-structured active cathode phases, namely LiCoPO4 (LCP) and LiFePO4 (LFP), which show good chemical compatibility with LATP at high sintering temperatures. To gain fundamental information for co-sintering conditions, the grain growth and ionic conductivity of LATP were characterized depending on the sintering temperature and sintering additives. After a careful optimization of slurry composition and sintering conditions, LATP/LCP and LATP/LFP composite layers with a thickness between 120 to 300 µm were obtained. Electrochemical activity tests using liquid electrolyte revealed that the composite cathode can be cycled with almost full capacity. For the all solid state battery fabrication, a thin layer of LIPON electrolyte was deposited on the top of tape cast cathodes using physical vapor deposition (PVD) to ensure chemical and electrochemical compatibility with metallic Li as anode. Further improvement of the cell performance requires an optimization of the ratio of electrolyte and cathode in the composite mixture as well as investigation of the impact of particle size distribution, microstructure, thickness and density, which is currently underway. Acknowledgement The results of this work are part of the projects ProFeLi and BCT, funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The authors take responsibility for the content of this presentation.

KF16

Tape-cast composite cathodes for all-solid-state lithium batteries



ProjektProLima – Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden - Konfektionierung, Handhabung und Kontaktierung

Förderkennzeichen03XP0182F

RessortBMBF

KF17

Laser cutting processes of lithium metal foil for all-solid-state battery systems


Autoren des PostersSchmidt, L. O. (Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig)

AbstractIn order to a largely establishing of electric vehicles in the market an increase of energy density is needed. All-solid-state batteries are promised to be the next generation of battery systems. While on the cathode side manifold materials and mixture recipes were examined, the anode side commonly applies to lithium-metal. The industrial processing of this material as an alkali metal is a demanding challenge caused by both the strong adhesion behavior to other materials and the highly reactive character of lithium. For the separation process of lithium-metal, the adhesion is a problem since an industrial punching separation process lead to an abrasion of the cutting edge. Thus a contactless separation process is necessary. In order to achieve an improvement for the separation of the anode for battery applications, laser cutting processes are investigated. Considering the highly reactive character previous investigations did not reveal any danger in laser cutting of lithium.[1] For this research, pure lithium-metal with a thickness of 20 µm and lithium-metal coated on a copper foil also with a thickness of 20 µm are established. To evaluate which laser cutting parameters leads to cutting edges with a high surface quality, different parameters in terms of average laser power, cutting speed and pulse repetition rate are investigated. A single pass cut shows the best results with a combination of high pulse repetition rate and high cutting speed. A multiple pass cut which leads to a successive ablation of the material achieves a reduction of the heat affected zone compared to a single pass cut. Under optical properties such as melting formation, melt width and gap width, a high-quality cutting edge is achieved with a multiple pass cut. In addition to the surface quality, for battery applications electrochemical quality is highly important. Further investigations are carried out to evaluate the influence of the laser cutting process on the electrochemical performance. Reference [1] Jansen, T.; Blass, D.; Hartwig, S.; Dilger, K., 2018, Processing of Advanced Battery Materials—Laser Cutting of Pure Lithium Metal Foils. Batteries 4, 3, 37. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries4030037.

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ProjektLiSi – Lithium-Solid-Electrolyte Interfaces


RessortBMBF

Autoren des PostersPaul, N. (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, Technische Universität München), Trunk, M. (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, Technische Universität München), Borzutzki, K. (Helmholtz-Institute Münster, IEK-12, Forschungszentrum Jülich), Brunklaus, G. (Helmholtz-Institute Münster, IEK-12, Forschungszentrum Jülich), Winter, M. (Helmholtz-Institute Münster, IEK-12, Forschungszentrum Jülich), Westover, A. S. (Oak Ridge National Laboratory, USA), Dudney, N. J. (Oak Ridge National Laboratory, USA), Gilles, R. (Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, Technische Universität München)

AbstractNeutron Depth Profiling (NDP) is a non-destructive nuclear analytical technique to quantitatively probe the concentration profile of specific elements such as 6Li, 10B, 14N, 17O, 33S, 35Cl and 40K in different samples, since these elements emit charged particles with well-defined energies after successful neutron capture, reducing energy almost linearly while reaching the sample surface. After the particles leave the surface, their residual energies are related to the path length, from which a depth concentration profile of the considered element can be determined. In this contribution, NDP measurements on two different sets of Li ion conducting solid electrolytes will be presented. In the first set, three different thicknesses (0.1 μm, 1 μm and 10 μm) of lithium phosphorus oxynitrides (LiPON), which were prepared by RF-sputtering of a lithium orthophosphate target in a nitrogen plasma, were investigated with respect to Li ion homogeneity and nitrogen depth-distribution within the entire material. The corresponding lithium density profiles reveal a homogeneous Li distribution in all three LiPON samples, which also reflect the film thickness. Additionally, nitrogen density profiles of these materials were determined. In the second set, four single ion conducting polymer blend electrolytes (SIPE), each with different PVdF-HFP to lithiated polymer weight ratio, were placed on top of 100 μm thick Li foils. These four Li/SIPE samples were probed using NDP to identify the lithium distribution as well as the maximum extent of accessible depth information. Our experiments revealed that though it was possible to access Li density profiles in the polymer membranes and to visualize the different Li contents, only in the case of pure 20 μm thick PVdF-HFP membranes, it was possible to probe across the 100 μm thick Li foils. This investigation demonstrates the capability of the NDP technique to reveal Li and N concentration profiles in solid electrolytes, and indicates the possibility to probe layers and interfaces beyond Li metal anodes, thus indicating usefulness of this technique in supporting interfacial engineering in Li-ion batteries. The DE-US LiSI project is a cooperation between six American research institutes (supported by DOE) and five German institutes (funded by BMBF).

KF18

Investigating Li and N density profiles in solid electrolytes with the neutron depth profiling technique – DE-US LiSI project

Engineering von Aktivmaterialien



ProjektBeTter – Beschichtung und Trocknung für hierarchisch strukturierte, hochkapazitive Batterieelektroden


RessortBMBF

EA01

Multilayer Coating and Drying of Component Graded Anodes for improved High Energy Li-Ion Batteries


Autoren des PostersSchabel, W. (Presenter, Karlsruhe Institute of Technology, Thin Film Technology); Diehm, R.; Kumberg, J.; Spiegel, S.; Scharfer, P. (Authors and Co-Authors, Karlsruhe Institute of Technology, Thin Film Technology)

AbstractThe use of multilayer coating technolgies for processing thicker electrodes with higher energy densities can contribute to a reduction of cell costs. However, the properties and performance requirements have to considered and investigated. Simultaneous Multilayer Coating can be appplied to reduce costs by manufacturing thicker electrodes. Due to the higher electrode capacity, the number of electrodes and associated inactive materials such as collector foils and separators in the battery cell are saved. The energy density is also increased by saving inactive materials. Previous investigations have shown that thick electrodes lose capacity especially at higher charging and discharging rates. The production of two layer coatings with a graded electrode might lower this problem. Simultaneous-multilayer coating is a cost efficient way of manufacturing films with stacked layers of different compositions to adjust the layer properties. This can be used to counteract known problems such as binder migration during drying, which reduce the adhesion to the current collector. The use of more binder to improve the adhesion force, however, reduces the discharge capacity of the cell. The stability of simultaneous two-layer slot die coating was fundamentally investigated in different works. For cathode coatings, the influence of simultaneously application of two layers with binder gradient and carbon black gradient was investigated and improvements to the electrode properties were found. State of the art is that multilayer coating is not yet used for commercial electrodes and has an high economic potential in our point of view. In the present work, the possibility of simultaneous multilayer slot die coating is investigated to improve the electrode properties of medium and high capacity anodes. The stable coating window of the two-layer slot die coating process is investigated in order to produce property-graded multilayer electrodes. Electrodes with different Binder gradient are investigated with regard to adhesive force and electrochemical performance. An increase of the mechanical adhesion of up to 43 % and an increase of the discharge capacity of up to 11 % was observed.

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Engineering von AktivmaterialienEA02

High-entropy materials for the application in energy storage

Autoren des PostersBotros, M.; Sarkar, A.; Wang, Q.; Chellali, M. R.; Velasco, L.; Breitung, B.; Hahn, H. (Institute of Nanotechnology, Karlsruhe Institute of Technology)

AbstractHigh-entropy materials, especially high-entropy oxides (HEO), have gained significant interest over the last few years due to their unique structural characteristics and possibility for tailoring of functionalproperties.[1] These compounds comprise the incorporation of multiple metal cations into single-phase crystal structures and interactions among the various metal cations leading to interesting novel and unexpected properties. A fundamental understanding, including entropy-dominated phase-stabilization effects and prospective applications in the field of electrochemical energy storage is highlighted. Owing to their robust Li-ion storage properties induced by the entropy stabilization effect, transition-metal-based HEO are considered promising electrode materials for use in Li-ion batteries.[2,3] Full-cells comprising (Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)O anode and LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode were assembled to explore their potential for practical applications. The cycling performance was studied by different electrochemical experiments. The cells showed stable cycle ability. High specific energy and power densities of about 240 Wh/kg and 320 W/kg were achieved. Atomic probe tomography (APT) results showed that the constituent cations in all HEO systems were homogeneously distributed even at the atomic scale.[4] For the application as cathode materials multi-anionic and -cationic compounds are prepared by facile mechanochemistry using the multi-cationic transition-metal-based HEO as the precursor and LiF as the reactant, leading to formation of lithiated materials. The Li-containing entropy-stabilized oxyfluoride (Lix(Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)OFx) exhibits a working potential of 3.4 V vs. Li+/Li and shows enhanced Li storage properties due to entropy stabilization, compared to conventional oxyfluorides.[5] Additionally, it is observed that the electrochemical behavior of the high entropy oxides depends on each of the metal cations present, thus providing the opportunity to tailor the electrochemical properties by simply changing the elemental composition. The diversity of materials design, provided by the entropy-mediated phase-stabilization concept, allows engineering of new oxide candidates for a variety of applications, warranting further studies in this emerging field of materials science. [1] Djenadic, R., et al., Mater. Res. Lett. 2016, 5, 1. [2] Wang, Q., et al., Electrochem. commun. 2019, 100, 121. [3] Sarkar, A., et al., Adv. Mater. 2019, 31. [4] Chellali, M. R., et al., Scr. Mater. 2019, 166, 58. [5] Wang, Q., et al., Energy Environ. Sci. 2019, 12, 2433.



ProjektAMaLiS – Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Ionische Flüssigkeiten und Titancarbid-basierte Gasdiffusionselektroden in Kombination mit geschützten Li-Anoden


RessortBMBF

EA03

Lithium deposition and dissolution at negative electrodes of lithium/oxygen cells with realistic current densities in a newly developed SECM setup


Autoren des PostersKrueger, B.; Wittstock, G. (Institute of Chemistry, University of Oldenburg), Dohmann, J. F.; Winter, M.; Bieker, P. (MEET – Battery Research Center)

AbstractAim: Dendrites are a serious safety issue for the use of lithium metal electrodes. Different physical and chemical pretreatment steps were applied to modify the lithium surface and reduce dendrite formation.[1] Method: Scanning electrochemical microscopy (SECM) was used to image the same electrode surface section directly before and after lithium deposition and dissolution. SECM is an in-situ technique giving information about the local chemical reactivity. Inhomogenities, such as cracks or holes in the SEI on lithium metal can be detected and connected to local dendrite formation.[2] With our newly developed technique we were able to apply realistic current densities in the range of 1 mA/cm2 on lithium metal and to take SECM images in the same setup. Results: We took SECM image series of differently pretreated lithium metal electrodes. Nascent dendrite formation was detected and different methods for the pretreatment can be compared.[3] Discussion: With the new approach, consequences of pretreatment and solution additives can be directly explored. Literature: [1] Becking, J.; Gröbmeyer, A.; Kolek, M.; Rodehorst, U.; Schulze, S.; Winter, M.; Bieker, P.; Stan, M., Adv. Mater. Interfaces 2017, 4, 170. [2] dos Santos Sardinha, E.; Sternad, M.; Wilkening, H.; Wittstock, G., ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 1388. [3] Krueger, B.; Dohmann, J. F.; Winter, M.; Bieker, P.; Wittstock, G., manuscript in preparation.

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Low Resistance Negative Electrodes for Fast Charging Lithium Ion Batteries

Autoren des PostersBozyigit, D. J.; Kory, M.; Ebner, M. (Battrion)

AbstractFast charging capability of modern Lithium Ion Batteries (LIBs) is a key enabler of electromobility. Electric vehicles with moderately sized batteries that can be charged in less than 20 minutes to 80% capacity allows to meet the cost targets while providing sufficient effective range that customers demand. The minimum charging time of LIBs is determined by the underlying technology utilized to fabricate the cells. The limiting physical effect is onset of lithium plating on the negative electrodes which causes drastic reduction in battery life and safety. The propensity of lithium plating is strongly correlated to electrode design parameters such as area specific capacity and electrode density, as well as operating conditions such as temperature. Comparing different cell types and sizes and optimizing cell design is a highly complex matter. Identifying the right metrics thus is central to rationalize and optimize battery performance. In this Poster, we showcase the relationship between negative electrode resistance and charging time and show, how advanced electrode fabrication technologies can improve these key parameters. By controlling the orientation of graphite particles during the manufacturing of the negative electrode, Battrion’s Aligned Graphite Technology (AGT) is capable of reducing the ionic resistance of negative electrodes by 50%. We will show how this improvement can be utilized in advanced cell designs and what the ultimate benefits of fast charging technologies are.



ProjektGO 3 – Hochenergie-Lithiumbatterien für automotive und stationäre Anwendungen

Förderkennzeichen03ETE002D

RessortBMWi

EA05

Li/Mn-rich layered transition-metal oxides with low cobalt content as core-shell particles for high-energy cathodes


Autoren des PostersHelbig, J. (MEET), Schmuch, R. (MEET), Naber, V. (MEET), Winter, M. (MEET, Helmholtz-Institute Münster), Placke, T. (MEET)

AbstractThe class of Li-Mn-rich layered transition metal oxides (LMR-NCM) is one of the most promising candidates for cathode materials in advanced lithium ion batteries (LIBs) due to their high specific discharge capacity up to 300 mAh/g and specific energy up to 1,000 Wh/kg.[1,2] Furthermore, those materials contain a high content of low-cost manganese due to the presence of a Li2MnO3 component compared to conventional LiMO2-type layered transition metal oxides, which at the same time enables the access of additional capacity. Nevertheless, strong capacity and voltage fade as well as a poor rate capability plagues the class of LMR-NCM materials. The pronounced reversible oxygen redox activity (causing the voltage hysteresis), the transition metal migration and a phase transition to a spinel-like phase (causing the voltage fade) add to an even stronger fade of the specific energy and inhibit the commercialisation of these cathode materials so far. Tackling the poor capacity retention, the anionic redox process is the most crucial factor to influence this behaviour.[3] In theory, an increase of the manganese amount in the NMC phase should stabilize the anionic redox.[4] Therefore, the Mn content is an important criterion, which impacts the preference of oxygen loss or (reversible) redox activity.[5,6] Decreasing the Co content simultaneously, results in a cost advantage. However, the presence of Co is known to push the average discharge potential to higher values. Hence, the combination of these features is preferable. The concept of a core-shell (CS) particle design comes in useful, and has been successfully integrated for various cathode materials before.[7] LMR-NCM particles with Co-free and Mn-rich core combined with a Co-containing shell leads to a stable electrochemical performance. Hereby, keeping the stoichiometric difference small appears to be the key for keeping the gradients in the material low as well and in the end enable a successful synthesis of an all lithium manganese rich core-shell cathode material.[8] [1] Erickson,E. M., et al., J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A6341 – A6348. [2] Placke, T., et al., J. Solid State Electrochem. 2017, 21, 1939 –1964. [3] Assat, G., et al., ACS Energy Lett., 3(11), 2721–2728 (2018). [4] Xie, Y., et al., Energy Environ. Sci., 10(1), 266–274 (2017). [5] Luo, K., et al., Nature Chem, 8(7), 684–691 (2016). [6] Luo, K., et al., J. Am. Chem. Soc., 138(35), 11211–11218 (2016). [7] Sun, Y.-K., et al., J. Am. Chem. Soc., 127(38), 13411–13418 (2005). [8] Li, J., et al., J. Electrochem. Soc., 163(14), A2841-A2848 (2016).

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ProjektGO 3 – Hochenergie-Lithiumbatterien für automotive und stationäre Anwendungen

Förderkennzeichen03ETE002C

RessortBMBI

Autoren des PostersSiozios, V.; Heidbüchel, M.; Ruttert, M.; Schmuch, R.; Winter, M.; Placke, T. (MEET-Batterieforschungszentrum)

AbstractThe electrochemical performance, cycle life and volumetric energy of transition metal oxide (NCM)-based cathodes depends strongly on the physical properties of the applied materials. Recently, a capacity increase was achieved through the optimization of the chemical composition, leading to the development of Ni-rich layered oxide cathode materials. However, the poor rate capability and capacity retention as well as the high first cycle irreversible capacity loss (ICL) have to be improved by specific design of the particle shape. The realization of a spherical morphology with a narrow size distribution is the preferred particle shape and could so far only be synthesized during the co-precipitation of transition metal hydroxides or carbonates by a continuously stirred tank reactor (CSTR). The CSTR-process allows a further improvement of the cathode materials during the synthesis of core-shell and full concentration-gradient particles.[1] Here, we present the design and the operating principle of a novel Couette-Taylor Flow Reactor (CTFR) that offers a continuous process for the synthesis of spherically shaped transition metal hydroxide particles as precursors for cathode materials for lithium ion batteries. The CTFR consists composed of two co-axially arranged cylinders with a narrow reaction zone in between the cylinders. The rotational motion of the inner cylinder induces a turbulent Taylor-vortex flow. Above the critical Taylor number (Ta), a periodic and stable turbulent fluid motion is formed, which increases the fluid shear and promotes the agglomeration of precipitates to uniform spherical particles with narrow particle size distribution.[2] The unique operating principle of the CTFR is studied by the co-precipitation of spherical Ni-rich transition metal hydroxides. Here, we investigate the influence of rotational speed, mean residence time, temperature and pH value on the growth behavior of the particles. The morphology, particle size distribution, tap density and chemical composition of the Ni-rich precursors and lithiated cathode materials are investigated. The electrochemical properties of the corresponding cathode materials with their unique particle morphology in dependence of the co-precipitation conditions are evaluated. [1] Manthiram, A., et al., Adv. Energy Mater. (2016) 6 1501010/(1-23). [2] Kim, J.-M., et al., Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 384 (2011) 31-39.

EA06

Ni-Rich Cathode Materials for Lithium Ion Batteries Synthesized by Couette-Taylor Flow Reactor – Structure-Property Relationships Between Particle Size and Electrochemical Performance



ProjektISIBAT – In situ Spectroscopic Investigations of High Energy Li-S Batteries Based on New Carbon Cathodes

FörderkennzeichenSta 324/54

RessortDFG

EA07

Entwicklung von Echtzeitanalysen zur Untersuchung der Alterungsmechanismen von Hochenergiebatterien für Elektromobilität und stationäre Speicheranwendungen


Autoren des PostersZech, C.; Kayser, Y.; Hönicke, P.; Beckhoff, B. (Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

AbstractDie Entdeckung einer umweltfreundlichen und bezahlbaren Hochenergiebatterie mit langer Lebensdauer ist notwendig für den flächendeckenden Einsatz von Elektroautos und erneuerbaren Energien und deshalb ein weltweites Forschungsthema höchster Priorität. Jede Batterie unterliegt dabei Alterungsmechanismen, die für die Verringerung der Energiedichte und Lebensdauer verantwortlich sind. Mit elektrochemischen Methoden kann die Kapazität und deren Rückgang über die Zyklen- oder Lagerdauer ohne großen Aufwand dargestellt werden. Die vollständige Entschlüsselung der Degradationseffekte und der zugrunde liegenden chemischen Reaktionen kann jedoch nur durch analytische Techniken im operando Modus (Echtzeitanalyse) erschlossen werden. Für das Verständnis von Kapazitäts- und Leistungsverlusten müssen unabhängig von der verwendeten Zellchemie die folgenden Informationen über die involvierten Reaktionsprodukte gewonnen werden: • Oxidationszahl (Spezies) • Absolute Menge • Ort der Entstehung • Veränderung der genannten Eigenschaften während der Zyklisierung oder der Lagerung Wir zeigen am Beispiel der Lithium-Schwefel-Batterie, wie die Entstehung der parasitären, im Elektrolyten löslichen Polysulfide in Echtzeituntersucht werden kann. Dazu wenden wir über die ersten drei vollen Ladezyklen eine Kombination aus operando Schwefel Nahkanten-Absorptionsfeinstruktur-Analyse (NEXAFS) und referenzprobenfreier Quantifizierung mit Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) an. Dabei konnten wir die absolute Menge des im Elektrolyten gelösten Schwefels bestimmen, der als Kathodenaktivmaterial verloren ging und für den Kapazitätsverlust verantwortlich ist. Die Untersuchung fand sowohl an der Kathoden- als auch an der Anodenseite statt und ermöglichte dadurch zusätzlich die Charakterisierung des Polysulfidshuttles, der zwischen den beiden Elektroden stattfindet. Die von uns verwendete Messtechnik ist auch für andere Zellchemien adaptierbar, unter anderem für Lithium-Ionen-Batterien oder Festkörperbatterien.

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ProjektAutoKlass – Automatische Klassierung von Partikeln aus Dispersionen zur Rohstoffrückgewinnung in der Anwendung: Recycling von Aktivmaterialien aus Lithium-Ionen- Batterieelektroden (KMU-innovativ)

Förderkennzeichen033RK065A–D

RessortBMBF

EA08

A novel centrifugation based low temperature recycling strategy for lithium-ion battery active materials


Autoren des PostersWolf, A. (Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg), Flegler, A. (Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg), Stübinger, T. (Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld), Vinnay, T. (Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH CEPA, Lahr), Seiser, F. (Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH CEPA, Lahr), Sinn, T. (Karlsruher Institut für Technologie KIT, Karlsruhe), Mandel, K. (Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg)

AbstractTo establish sustainable value chains in the growing field of energy storage systems, it is inevitable to develop new recycling strategies for batteries, with special focus on lithium-ion batteries and their critical components such as lithium, cobalt und manganese. One major drawback of the existing recycling technologies is the high-temperature process steps to thermally recycle the basic elements at first and then recrystallize them to active materials.[1]

A continuous centrifugation process (Figure) is a promising low temperature alternative to regain electrochemically fully functional active materials out of the black mass, that is obtained after fragmentation of the cells followed by several sorting techniques. The separation mechanisms depend on material characteristics such as particle size distribution, density, binder network and solvent dilution. Furthermore, the centrifugation process parameters like the volumetric flow rate and the rotation speed of the centrifuge play a crucial role. In first experiments with a water-based lithium iron phosphate (LFP) cathode slurry, the proof of concept was achieved by separating lithium iron phosphate and carbon black. To investigate the optimum working conditions of the centrifuge a Design of Experiments (DoE) was performed. The centrate (output of the centrifuge) and the sediment in the centrifuge were analysed using scanning electron microscopy, X-ray fluorescence spectroscopy, carbon element analysis and a combination of dynamic light scattering and Fraunhofer diffraction to analyse the particle size distribution (PSD). The upcoming experiments include electrochemical analysis of cells, manufactured with active materials, recycled via centrifugation. In the future, cathode materials such as NMC, which are prepared via an aqueous route, can also be recycled with this approach. [1] Kwade, A.; Diekmann, J., Recycling of Lithium-Ion Batteries, The LithoRec Way; Springer Verlag; 2018

https://batterieforum-deutschland.de/ab/14_AutoKlass_Figure-1.jpg



ProjektLiBEST – Lithium-Ionen-Akku mit hoher elektrochemischer Leistung und Sicherheit


RessortBMBF

Autoren des PostersMüller, J. (TU Braunschweig), Abdollahifar, A. (National Taiwan University), Noeske, N. (TU Braunschweig), Haselrieder, W. (TU Braunschweig), Wu, N. (National Taiwan University), Kwade, A. (TU Braunschweig)

AbstractSilicon is a promising material as an active material on the anode side of lithium-ion batteries since it can enable a significant capacity increase on electrode and cell level. However, the implementation of pure silicon anodes remains challenging as silicon exhibits two main drawbacks, high volume changes during lithiation and delithiation,[1,2] and its poor electrical conductivity.[3] The development of stable silicon-carbon composites on the other hand provides an opportunity to solve these challenges as carbon is highly conductive and can buffer the volume expansion. Therefore, the main goal of this study is to prepare composites aiming a defined particulate structure by a scalable granulation process and subsequent carbon-coating of composite particles. First, graphite particles are homogeneously coated with a layer of silicon nanoparticles alongside binders and conductive additives by fluidized bed granulation. Nanoparticles (x50 < 150 nm) are prepared beforehand by nanomilling in a stirred media mill in ethanol. The composite particles are then characterized in terms of electrical and mechanical stability as well as electrochemical performance. It could be demonstrated, that the addition of composite binder leads to an improved composite stability, but limits the cycling performance of composite electrodes. In order to improve the electrochemical performance, the composite particles are further coated with a layer of amorphous carbon. Therefore, as a first step a coating with different amounts of pitch is performed with subsequent carbonization at elevated temperature under exclusion of oxygen. Electrochemical results of carbon-coated silicon composite particles with a silicon content of 8 wt.% show good rate performance and initial capacity of around 600 mAh/g in half cells. The long-term cycling stability is significantly improved by the addition of carbon-coating and enables a capacity retention of 70 % after 500 cycles at c-rates up to 1C. References [1] Hatchard, T. D.; Dahn, J. R., 2004, J. Electrochem. Soc. 151, 6, A838. [2] Obrovac, M. N.; Christensen, L., 2004, Electrochem. Solid-State Lett. 7, 5, A93. [3] Pollak, E.; Salitra, G.; Baranchugov, V.; Aurbach, D., 2007, J. Phys. Chem. C 111, 30, 11437–11444.

EA09

Design of silicon-carbon composites by fluidized bed granulation and carbon-coating





RessortBMBF

Autoren des PostersKraft, L.; Jossen, A. (Institute for Electrical Energy Storage Technology, Technical University of Munich) Zünd, T.; Linsenmann, F.; Gasteiger, H. A. (Chair of Technical Electrochemistry, Technical University of Munich) Schreiner, D.; Stumper, B.; Konwitschny, F.; Kriegler, J.; Metkar, A.; Günter, F.; Reinhart, G. (Institute for Machine Tools and Industrial Management, Technical University of Munich)

AbstractThe demand for lithium-ion batteries with a higher capacity and energy density is rising, so the specific capacity of the active materials must increase. State-of-the-art cathode materials are lithium-nickel-cobalt-manganese-oxides (NCM) and their capacity can be increased by a higher Ni content, e.g. from NCM-111 with 150 mAh/g up to NCM-811 with 200 mAh/g. However, at the moment a reversible capacity of 200 mAh/g cannot be exceeded due to structural instabilities. Another well-established cathode material is lithium-nickel-cobalt-oxide (NCA) with around 200 mAh/g. A material that offers a higher capacity is overlithiated Mn-rich NCM, so-called high energy NCM (HE-NCM) with a reversible capacity of around 250 mAh/g. Based on experiments on laboratory cells with HE-NCM, this material was employed in pouch cells with a capacity of around 6-7 Ah, produced on an industry scale manufacturing pilot line. The characteristics of these HE-NCM pouch cells were evaluated by discharge rate capability tests and an aging study. In order to appropriately assess the performance of the HE-NCM pouch cells, comparable pouch cells of the same format with NCA were produced on the pilot line. For both cell types, graphite was used as anode material. Regarding the specific capacity in the rate capability test, the HE-NCM pouch cells outperform the NCA cells with an increase of around 30%. The energy density is only 10% higher, because the HE-NCM cells exhibit a lower mean discharge voltage. In the subsequent aging study, the cells were cycled with a charge/discharge rate of C/2 with checkups every 25 cycles. The specific capacity of the HE-NCM cells is still higher compared to NCA, but shows a faster decrease with ongoing cycling. The same accounts for the energy density in the beginning, but after 200 cycles the NCA cells show a better performance. This can be explained by a stronger voltage fading of HE-NCM, which results in a faster decrease of the energy density. Another important factor is the stability of the liquid electrolyte as the HE-NCM cells are charged to an upper cutoff voltage of 4.6 V while the NCA cells are charged to only 4.3 V. Therefore, further improvements on the HE-NCM material and the corresponding electrolyte system are necessary to increase the stability and lifetime. This work was financially supported by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in the project ExZellTUM II (03XP0081) and the follow-up project ExZellTUM III (03XP0255).

EA10

Evaluation of a High Capacitive Cathode Active Material in Lithium-Ion Pouch Cells



ProjektExZellTUM II/III – Exzellenzzentrum für Batteriezellen an der Technischen Universität München

Förderkennzeichen03XP0081/03XP0255

RessortBMBF

EA11

Impact of Calendering on Processability, Cell Performance and Material Structure of Electrodes in Multi-Layer Li-Ion Pouch Cells


Autoren des PostersZünd, T. (Chair of Technical Electrochemistry, TUM), Schreiner, D. (Institute for Machine Tools and Industrial Management, TUM), Wilhelm, R. (Chair of Technical Electrochemistry, TUM), Schüßler, M. (Institute for Machine Tools and Industrial Management, TUM), Reinhart, G. (Institute for Machine Tools and Industrial Management, TUM), Gasteiger, H. A. (Chair of Technical Electrochemistry, TUM)

AbstractThis study is a result of the close cooperation between the material and diagnostic research done at the Chair of Technical Electrochemistry and the Li-Ion battery production research at the TUM pilot plant of the Institute for Machine Tools and Industrial Management. The calendering process for electrodes of industrial-sized cells fulfills several important tasks. On material level, slight calendering assures the contact between the active material, conductive additives and the current collector. In contrast, too much compression leads to particle cracking and a poor Li-ion transport within the electrode.[1] From the perspective of cell production, calendering obviously enhances the volumetric energy density, but often neglected, also the gravimetric density is increased by up to 10 %, because less electrolyte is needed. However, the limit of the compression for industrially produced electrodes is defined by their processability.[2] In this study, electrodes calendered to different degrees of porosity (50-30 %) of a non-commercialized, high capacity (≈ 250 mAh/g), Li- and Mn-rich layered oxide (HE-NCM) are compared to a standard NCA (≈ 180 mAh/g) cathode material. With the combination of particle size analysis, Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface determination and mercury porosimetry, intra and inter secondary particle pores are distinguished. The differences in the structures of the two materials and especially their response to compression is shown and supported by cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) images. Typical calendaring-induced electrode defects from standard production parameters are presented, assessed and related to the material characteristics. Subsequently, the results of optimizing the calendering parameters for highly compressed electrodes of both materials are shown. Finally, the impact of calendering on the cell performance in laboratory coin cells is tested and the obtained results used to predict the energy densities of the afterwards produced multi-layer pouch cells on the pilot line. References: [1] Landesfeind, J.; Hattendorff, J.; Ehrl, A. ; Wall, W. A.; Gasteiger, H. A., J. Electrochem. Soc., 163, A1373–A1387 (2016). [2] Günther, T.; Schreiner, D.; Metkar, A.; Meyer, C.; Kwade, A.; Reinhart, G., Energy Technol., 1900026 (2019). Acknowledgement: We want to acknowledge the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) for its financial support within the ExZellTUM II/III project under grant number 03XP0081/03XP0255.

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RessortBMBF

Autoren des PostersRichter, K.[a], Waldmann, T.[a], Paul, N.[b], Jobst, N.[a], Hogrefe, C.[a], Scurtu, R.-G.[a], Hofmann, M.[b], Wohlfahrt-Mehrens, M.[a] , Gilles, R.[b] [a] ZSW – Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Württemberg [b] Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, Technische Universität München

AbstractChallenges for Li-ion batteries are high specific energy, fast-charging capability, a high safety level, and longer life-time. In the current gradual improvement of batteries, Si compounds (< 5% Si) are blended with graphite to increase specific energy. A strong focus is on the charging mechanism and on the reaction with deposited Li plating. For this purpose neutron diffraction as an unique non-destructive probe was applied to study complete cells during operation. Commercial 18650-type cells (anode 3%Si/graphite, cathode: NCA)[1] were measured at the STRESS-SPEC instrument at the neutron source FRM II in Garching.[2,3] The diffractograms and electrochemical data were analyzed during charging and in the relaxation after charging to get more insights into the underlying mechanisms. The results are complemented by Post-Mortem analysis. Although the amorphous Si material did not allow following the lithiation of Si alloy directly, it can indirectly be observed by the relaxation of the LiC6 and LiC12 peaks in the neutron diffraction pattern. We find that the charging C-rate (investigated in the range of 0.1C to 0.75C) is decisive for the charging mechanism at -21°C. For charging at 0.75C, the data show that Li metal is deposited on the anode during charging as well as chemical intercalation of the deposited Li into graphite after the end of charging. Most interestingly, Li is transferred from graphite to the Si compound after the re-intercalation of Li is completed. The results provide deep insight on the charging and aging mechanisms of Li-ion batteries with Si/C composite anodes. References [1] Richter, K.; Waldmann, T.; Memm, M.; Kasper, M.; Wohlfahrt-Mehrens, M., J. Electrochem. Soc., 165, A3602–A3604 (2018). [2] Zinth, V.; von Lüders, C.; Hofmann, M.; Hattendorff, J.; Buchberger, I.; Erhard, S.; Rebelo-Kornmeier, J.; Jossen, A.; Gilles, R., J. Power Sources, 271, 152–159 (2014). [3] von Lüders, C.; Zinth, V.; Erhard, S. V.; Osswald, P. J.; Hofmann, M.; Gilles, R.; Jossen, A., J. Power Sources, 342, 17–23 (2017). Acknowledgement This work was financially supported by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) under grant number 03XP0081. This work is based upon experiments performed at the STRESS-SPEC instrument operated by TUM and HZG at the Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), Garching, Germany.

EA12

Charging Mechanism of Li-ion Cells with Si/C Composite Anodes using Neutron Diffraction





RessortBMBF

EA13

Lithium-ion Battery Materials’ Characterization for Advanced Electrode Engineering Using Neutron Depth Profiling (NDP)


Autoren des PostersLinsenmann, F.; Rapp, P.; Trunk, M.; Werner, L.; Gernhäuser, R.; Märkisch, B.; Gilles, R.; Revay, Z.; Gasteiger, H. A. (TU München)

AbstractUnderstanding ageing phenomena in lithium-ion batteries (LIBs) on a materials’ level allows for engineering active materials (particle size, surface groups, coatings, etc.), additives and electrode architectures (thickness, porosity, tortuosity etc.) and therefore can help maximizing cell performance indicators such as energy density, cycling stability, fast charging ability and safety. Neutron Depth Profiling (NDP) as lithium-sensitive, non-destructive and near surface technique is very well suited to quantitatively study the ongoing lithium (de)intercalation processes in battery devices. When irradiating a sample with a cold neutron beam, 6Li nuclides emit charged particles after neutron capture. The residual energy and the signal rate of the emitted 3H+ particles are correlated to depth and amount of lithium, respectively. Thus, lithium (de)intercalation, SEI growth or lithium plating on e.g. graphite anodes can be studied. With this poster contribution, we would like to present a completely newly developed cell design for an NDP cell that allows for operando measurements with optimized cycling performance, comparable to a commercial cell even at high rates, signal intensity and viewing depth. Here, holes sealed by a Kapton® window allow for penetration of charged particles from inside the cell. Figure a shows the operando NDP coin cell after assembly and Figure b a graphite electrode that was coated on Kapton® foil and glued into the coin cell cap before cell assembly. In Figure c, the same electrode is shown after the cell was completely charged and then opened inside an argon-filled glovebox. From the golden color, it is clearly visible that the complete graphite electrode surface was converted to LiC6 and participated in the electrochemical reaction. In Figure d, the cross-sectional image of the total cell setup is displayed. In our contribution, we will present the new cell setup in detail and show first experimental data where the method was validated and used to study intercalation phenomena in a liquid electrolyte based graphite cell. Figure e shows the Li concentration profile as a function of depth collected during cycling of a graphite anode vs. LiFePO4 at a rate of C/16. Here, the Li concentration in the electrode can be tracked during (de)intercalation and the irreversibly lost Li in the SEI can be differentiated (s. point 5 = discharged state).

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ProjektCOATEMO II – Hochenergieelektroden für die Elektromobilität

Förderkennzeichen03ETE014E

RessortBMWi

Autoren des PostersFlorez Montaño, J.; Frankenberger, M.; Pettinger, K. H. (Technologiezentrum Energie, HAW Landshut)

AbstractUnter den aufkommenden Anodenmaterialien, die für LIB vorgeschlagen werden, ist Silicium (Si) einer der meistversprechenden Kandidaten für den Ersatz von Graphit, aufgrund seiner deutlich höheren gravimetrischen Kapazität (4.200 mAh g-1, lithiert zu Li4.4Si) und seiner volumetrischen Kapazität (9.786 mAh cm-3). Es wurden verschiedene Arten von hocheffizienten Si-Carbon-Anoden entwickelt, um bekannte Probleme der Expansion und Pulverisierung zu lösen, die sich direkt auf die Leistung der Batterie auswirken. Jedoch erfordert die Prozessierung eines neuen aktiven Materials, basierend auf Si gebunden an optimierte Kohlenstoff-Strukturen (Graphen, carbon nanotubes, sponge carbon usw.), die als Matrix fungieren, auch die Entwicklung neuer Leitzusätze und passender Binder, die richtig mit dem neuen aktiven Material zusammenwirken und gleichzeitig eine gute Leistung bei niedrigen Kosten ermöglichen. Die Variation einiger dieser Komponenten spielt eine wichtige Rolle für die Viskosität der Elektroden-Slurry, sowie für die Homogenität und Beladung des aktiven Materials auf dem Stromkollektor. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine Studie über die Wirkung eines neuen wasserlöslichen Binders auf die Herstellung von Si/Graphit-Anodenbeschichtungen für LIB durchgeführt. Die Studie beleuchtet hierbei speziell, wie die Variation der Zusammensetzung von CMC und dem neuen wasserlöslichen Binder THV 340Z (3M Dyneon) in der Slurry die beschichtete Elektrode beeinflusst. Die rheologischen Ergebnisse zeigen einen deutlichen Viskositätsabfall mit zunehmendem Anteil an THV 340Z, bei gleichbleibendem Gesamtgehalt an Binder in der Slurry. Die erhaltenen Beschichtungen zeigen homogene Schichtdicken von 105 ± 1,2 µm. Der Rückgang der Viskosität ermöglichte somit eine Erhöhung des Feststoffgehalts der Elektroden-Slurry, und damit der Flächenbeladung des aktiven Materials auf dem Kollektor, jedoch mit leichtem Verlust der mechanischen Stabilität in Bezug auf die Haftungseigenschaften. Die elektrochemischen Ergebnisse für Graphitanoden, die THV 340Z als Binder enthalten, ist es möglich, eine Entladekapazität von 345 mAh/g bei 2 C-Rate zu erhalten. Mit dieser Matrix können im Halbzellentest Elektroden mit einer Belastbarkeit von 800 mAh g-1 von 2C-Raten und einer Stabilität von mehr als 95 Prozent nach 200 Zyklen hergestellt werden.

EA14

Neue hochleitfähige Matrix für mikro- oder nanoskaliges Silizium als Material für die nächste Generation der LIB



Ceramic-based all-solid-state sodium batteries turn the tables

Autoren des PostersLan, T.; Ma, Q.; Tsai, C.-L.; Tietz, F.; Guillon, O. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research, Materials Synthesis and Processing (IEK-1))

AbstractAll-solid-state sodium batteries (Na-ASSBs) are regarded as ecologic and economic alternative to Li batteries, especially for stationary application. In fact, ceramic-based Na-ASSBs developed recently in our group, show interesting advantages over similar Li-ASSBs in many aspects. The electrolyte material, Na3.4Zr2Si2.4P0.6O12 (NZSP), shows an excellent total conductivity of 5 × 10-3 S cm-1 at 25 °C.[1] This value is comparable with the ionic conductivity of lithium sulphides, but NZSP is mechanically and chemically more stable, easier to process, and more compatible to industrial fabrication. In the Na metal anode, the Na atoms have a much higher self-diffusion rate than Li, resulting in a higher tolerance to dendrite formation at high currents. Na-NZSP-Na cells in the present work have a critical current density of 9.0 mA cm-2, and are able to operate for 300 h with a capacity of 5 mAh cm-2 (per half cycle) at a current density of 1.0 mA cm-2 (at 25 °C). These current densities are much higher than those of existing Li-ASSBs operated at similar conditions. For the positive electrode, we developed chemical infiltration method by combining the infiltration of precursor solution into a porous electrolyte scaffold with an in-situ synthesis of the active material.[2] In this way, Na3V2P3O12 (NVP) shows excellent adhesion to the morphotropic NZSP, resulting in a low internal resistance of the cell. Additionally, this electrode structure ensures a high tolerance to the volume change of the electrode material. As a result, our Na-ASSBs have highly stable performance with low internal resistance and low fading rate. This method also enables the fabrication of very thick electrode layers for high capacities. Combining all the techniques above, ASSB full cells (NVP-NZSP-Na) showed stable operation with a capacity of 0.55 mAh cm-2 at high rate up to 0.5 mA cm-2, indicating a promising future of Na-ASSBs. [1] Ma, Q.; Tsai, C.-L.; Wei, X.-K.; Heggen, M.; Tietz, F.; Irvine, J. T. S., J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 7766–7776. [2] Lan, T.; Tsai, C.-L.; Tietz, F.; Wei, X.-K.; Heggen, M.; Dunin-Borkowski, R. E.; Wang, R.; Xiao, Y.; Ma, Q.; Guillon, O., Nano Energy, 2019, 65, 104040.



ProjektTRANSITION – Natrium-Ionen-Batterie-Demonstratoren für mobile und stationäre Energiespeicher


RessortBMBF

EA16

Aging phenomena of pure layered P2-NaxMyNi1-yO2 cathode materials with controlled microstructure


Autoren des PostersSchick, L.; Axmann, P.; Wohlfahrt-Mehrens, M. (ZSW)

AbstractWith the increase of energy from renewable sources, an increasing demand for energy storage evolves. Nowadays lithium-ion batteries are dominating mobile and stationary energy storage applications. Lithium ion batteries base on raw materials, which are critical with respect to their economic importance and simultaneously limited availability, such as cobalt, lithium and graphite. Sodium chemistry allows using cobalt-free host lattices with suitable electrochemistry; lithium is replaced by sodium, which is ubiquitously accessible. Furthermore, aluminium foil can replace copper foil as current collector at the negative electrode. Overall, the chance to use abundant raw materials instead of rare ones makes sodium-ion batteries (SIB) a promising complementary technology to lithium-ion batteries.[1]

Among various reported cathode materials for sodium-ion batteries, the structural family of layered sodium transition metal oxides (NaxMO2, 1>x>0) offers the most promising electrochemical performance.[2] These compounds show a wide structural variety due to the ionic radius of sodium and the tendency for Na+/vacancy ordering.[3] In our work, we synthesized manganese based cobalt-free layered NaxMnyM1-yO2 active cathode materials with the P2-type structure. The chosen synthesis route enables to control electrochemically important factors such as crystallite size, particle size and particle architecture. The influence of the Na/M-stoichiometry and synthesis temperature is analysed over a broad range. Under suited conditions phase-pure P2 materials form. We characterized the resulting P2 structured cathode materials by ICP-OES, XRD, SEM and EDX. The materials provide reversible discharge capacities of 170 mAhg-1 at 17 mAg-1 in the voltage window of 4.3 to 1.5 V in half-cell configuration. A capacity fade occurs, the origin of which we investigate using electrochemical methods and ex-situ characterization of the electrodes. We will discuss the influence of structure, chemistry and morphological features on the electrochemical performance of the material. The selected synthesis process is suited for large-scale production and guarantees the scalability of the battery manufacturing process.

REFERENCES: [1] Vaalma, Buchholz, Weil, Passerini, Nature Rev. Mater. 2018, 3, 18013 [2] Ortiz-Vitoriano, Drewett, Gonzalo, Rojo, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1051 [3] Kubota, Kumakura, Yoda, Kuroki, Komaba, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703415

https://batterieforum-deutschland.de/ab/22_NaMNO_RateCapability.jpg



ProjektRONDO – Prozessforschung und -entwicklung zur Herstellung und Verarbeitung von gerundeten Graphiten für Li-Ionen-Zellen mit verbesserter Schnellladefähigkeit


RessortBMBF

Autoren des PostersMancini, M. (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg), Martin, J. (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg), Ruggeri, I. (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg), Mundszinger, M. (Electron Microscopy Group of Materials Science, University Ulm), Kaiser, U. (Electron Microscopy Group of Materials Science, University Ulm), Wohlfahrt-Mehrens, M. (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg)

AbstractGraphite is nowadays the preferential anode active material, although natural graphite has been classified as one of the critical resources for the EU.[1,2] However, the increase of Li-ion Batteries (LiBs) performance is necessary to meet the market requests in the automotive sector, where the ability of a battery able to be quickly charged is needed. One of the main drawbacks of the current technology is the low rate capability of the graphite anode, which mainly limits the fast-charging performance of LiBs. The control of graphite physical and chemical characteristics, such as morphology, surface area, density and particle size, is very important to determine its electrochemical behavior. One common industrial approach for graphite optimization consists in modifying the particle morphology by mechanical treatment in a so-called spheroidization process.[3] During this treatment, natural graphite flakes or synthetic graphite can be shaped into nearly spherical particles, leading to reduce the irreversible capacity loss during the first cycle and to increase the reversible capacity.[4,5] In the present research project, with the aim to improve the graphite materials, a detailed understanding of the relationships between material modification, structure and material properties and the electrochemical performance is being developed. In order to understand the effect of different process parameters on the properties of the obtained samples, graphite samples spheroidized under different conditions are investigated. A lab-scale spheroidization process is applied to natural and synthetic graphite raw materials to get potato-shaped particles. The spheroidized graphite samples are tailored to suitable particle size distribution and analyzed in terms of density, specific surface area, morphology. Physical, chemical and electrochemical characterization of the obtained samples is reported to correlate the impact of the spheroidization on the electrochemical properties in terms of fast-charge performance of the materials. [1] Pillot, C. (Avicenne), International Seminar & Exhibit USA 2017. [2] Liste kritischer Rohstoffe für die EU 2017, Brüssel, 13.9.2017. [3] Mundszinger, M.; Farsi, S.; Rapp, M.; Golla-Schindler, U.; Kaiser, U.; Wachtler, M., Carbon 2017, 111, 764. [4] Ohzeki, K.; Saito, Y.; Golman, B.; Shinohara, K., Carbon 2005, 43, 1673. [5] Natarajan, C.; Fujimoto, H.; Mabuchi, A.; Tokumitsu, K.; Kasuh, T., Journal of Power Sources 2001, 92, 187.

EA17

Study on the effect of spheroidization on the physical, chemical and electrochemical performance of graphite for fast-charging LiBs applications

Veranstalter:

Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien (KLiB) e. V.Friedrichstraße 9510117 Berlin

Dr. Michael KrausaGeschäftsführerT: 030 20 14 31 32E: [email protected]

Veranstaltungsorganisation:TEMA Technologie Marketing AG Carsten ScheeleHohenzollerndamm 15214199 BerlinT: 0241 88 97 0-300E: [email protected]

Abstractband, Posterausstellung und Projektdatenbank:Dominik SollmannReferent Batterieforum DeutschlandT: 030 20 67 90 02E: [email protected]

Simone BenischkaKoordinatorinT: 0731 37 95 48 71E: [email protected]

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