In Situ und Operando Plating Detektion in Batterien

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Verschiedene multiskalige Untersuchungsmethoden für Li-Plating Verschiedene multiskalige Untersuchungsmethoden für Li-Plating

Ziel von InOPlaBat ist die räumlich und zeitlich aufgelöste Erkennung von Lithium-Plating (Anlagerung von metallischem Lithium) in Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Plating ist gerade bei Schnellladevorgängen von Elektrofahrzeugen ein sicherheitskritisches Phänomen, welches auf der Anode durch die limitierte Aufnahmefähigkeit von Lithium-Ionen in gewünschter Geschwindigkeit hervorgerufen wird. Um die Lebensdauer und Sicherheit von Batterien für alle Anforderungsprofile zu optimieren, ist es zentral, die Bildung von metallischem Lithium und Dendriten frühzeitig zu erfassen. Reversibles sowie irreversibles Plating kann mit der Ausbildung von Dendriten einhergehen und zu sicherheitskritischen Kurzschlüssen führen. Irreversibles Plating führt zusätzlich zu einem deutlichen Kapazitätsverlust durch Verlust von zyklisierbarem Lithium.

Um die Struktur von Elektrodenmaterialien und ihre Veränderungen, insbesondere das Plating von Lithium auf der Anode während des Ladens, skalenübergreifend von nanometer- bis zentimeter-Dimensionen zu erfassen, sollen im Projekt verschiedene optische, elektronenmikroskopische (FIB, REM und TEM) und röntgenographische (mikro-CT, nano-CT) Verfahren in Kombination mit spektroskopische Verfahren (NMR, EPR, EIS) eingesetzt werden. Aufbauend auf Erkenntnissen aus Post-Mortem- Untersuchungen sollen für die jeweiligen Methoden geeignete in situ/operando Versuchseinrichtungen aufgebaut werden, um die Lade-/Entladeprozesse direkt in einer Batteriezelle unter Betriebsbedingungen zu untersuchen. Damit soll es möglich werden, Plating-Prozesse hochauflösend in der Zelle in situ zu analysieren und dadurch strukturelle Änderungen mit spektroskopisch detektierten dynamischen Prozessen zu korrelieren.

Zum Verständnis der ablaufenden Prozesse, wie auch deren grundlegenden Ursachen, werden die Messungen eng mit gekoppelten atomistischen Simulationen und makroskopischer Modellierung verknüpft. Dabei ist ein bidirektionaler Informationsfluss zentral, denn ein vertieftes physikalisches Verständnis kann nur erreicht werden durch erfolgreiche multiskalige Simulation der ablaufenden Prozesse, während experimentelle Daten die Grundlage zur Formulierung, Parametrisierung und Validierung der Simulationssysteme liefern. Die Modellierung auf makroskopischer Ebene bietet anschließend einen Transferpfad hin zu kommerziellen Zellen und stellt eine direkte Umsetzbarkeit der Resultate in industriellen Anwendungen sicher.

Die somit gewonnenen Erkenntnisse sollen sowohl eine schnelle als auch präzise Rückmeldungen über die Auswirkung von Prozess- und Materialveränderungen in der Zellproduktion ermöglichen. Zudem wird durch
die Weiterentwicklung elektrischer Tests eine stichprobenartige günstige Untersuchung von Zellen ermöglicht. Die Nachhaltigkeit der so entwickelten und produzierten Zellen wird hierdurch verbessert, da die Zelllebensdauer erhöht und die Sicherheitsrisiken und somit mögliche Eindämmungsmaßnahmen im Batteriepack reduziert werden können.

 

Laufzeit

01.Januar 2021 – 31.Dezember 2023

 
 

Förderung

Das Projekt InOPlaBat wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 03XP0315A im Rahmen des Batterie-Kompetenzclusters Analytik/Qualitätssicherung (AQua) gefördert.

Bundesministerium für Bildung und Forschung
 
 

Partner

  • RWTH Aachen
    Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe (ISEA)
    Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie (GFE)
    Institut für Anorganische Chemie (IAC)
  • Forschungszentrum Jülich (FZJ)
    Institut für Energie- und Klimaforschung: Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
  • Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI)
    Theorie Department