Lithium-Ionen-Batterien und ihre Herstellungsherausforderungen

Lithium-Ionen-Batterien Sind hergestellt in Elektrodensätzen und dann in Zellen zusammengebaut. Aktives Material wird mit Polymerbindemitteln, leitfähigen Zusätzen und Lösungsmitteln gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, die dann auf eine Stromkollektorfolie aufgetragen und getrocknet wird, um das Lösungsmittel zu entfernen und eine poröse Elektrodenbeschichtung zu erzeugen.

Es gibt keinen einzelnen Lithium-Ionen-Akku. Mit der Vielfalt der verfügbaren Materialien und elektrochemischen Paare ist es möglich, Batteriezellen speziell für ihre Anwendungen in Bezug auf Spannung, Ladezustand, Lebensdaueranforderungen und Sicherheit zu entwerfen. Die Auswahl spezifischer elektrochemischer Paare erleichtert auch die Gestaltung von Leistungs- und Energieverhältnissen sowie der verfügbaren Energie.

Die Integration in eine großformatige Zelle erfordert eine optimierte Rolle-zu-Rolle-Elektrodenherstellung und den Einsatz aktiver Materialien. Elektroden werden auf einer metallischen Stromkollektorfolie in einer Verbundstruktur aus aktivem Material, Bindemitteln und leitfähigen Zusatzstoffen aufgetragen, was eine sorgfältige Kontrolle der kolloidalen Chemie, Haftung und Verfestigung erfordert. Doch die zugesetzten inaktiven Materialien und die Zellverpackung verringern die Energiedichte. Darüber hinaus kann der Grad der Porosität und Verdichtung der Elektrode die Batterieleistung beeinträchtigen.

Zusätzlich zu diesen Materialproblemen sind die Kosten ein erhebliches Hindernis für die breite Einführung dieser Technologie. Es werden Wege erforscht, um Batterien von kommerziell erhältlichen 100 Wh/kg und 200 Wh/L für 500 $/kWh auf 250 Wh/kg und 400 Wh/L für nur 125 $/kWh zu bringen.

Grundlagen von Lithium-Ionen-Batterien

Die Lithium-Ionen-Batterie wurde durch die Entdeckung von Lithiumkobaltoxid (LiCoO) ermöglicht ₂ ), was die Extraktion von Lithiumionen und die Schaffung großer Mengen an Leerstellen (ohne Kristallveränderung) bis zur Entfernung der Hälfte der vorhandenen Ionen ermöglicht. Die Paarung von LiCoO ₂ mit Graphit ermöglicht die Einlagerung von Lithiumionen zwischen den Graphenschichten, die die Zwischengitterplätze zwischen jedem hexagonalen Ring von Kohlenstoffatomen besetzen (Besenhard und Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Die Lithiumionen wandern beim Laden von der positiven Elektrode (der Kathode) durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten zur negativen Elektrode (der Anode) und beim Entladen in die entgegengesetzte Richtung. An jeder Elektrode behält das Ion entweder seine Ladung bei und interkaliert in die Kristallstruktur, indem es Zwischengitterplätze in vorhandenen Kristallen auf der Anodenseite besetzt, oder besetzt wieder eine freie Stelle in der Kathode, die gebildet wurde, als das Lithiumion diesen Kristall verließ. Bei der Übertragung des Ions wird die Wirtsmatrix reduziert oder oxidiert, wodurch ein Elektron freigesetzt oder eingefangen wird. ¹

Vielzahl von Kathodenmaterialien

Die Suche nach neuen Kathodenmaterialien wird teilweise durch wichtige Nachteile von LiCoO vorangetrieben ₂ . Der Akku hat eine Kerntemperatur von 40–70 °C und kann bei niedrigen Temperaturen anfällig für Reaktionen sein. Aber bei 105–135 °C ist es sehr reaktiv und eine ausgezeichnete Sauerstoffquelle für ein Sicherheitsrisiko namens a Thermal Runaway-Reaktion , bei dem stark exotherme Reaktionen Temperaturspitzen erzeugen und sich unter Freisetzung zusätzlicher Wärme schnell beschleunigen (Roth 2000).

Ersatzmaterialien für LiCoO ₂ sind weniger anfällig für diesen Fehler. Die Verbindungen ersetzen Teile des Kobalts durch Nickel und Mangan und bilden Li(Ni). _X Mn _j Co _z )O ₂ Verbindungen (mit X + j + z = 1), oft als NMC bezeichnet, da sie Nickel, Mangan und Kobalt enthalten; Oder sie weisen eine völlig neue Struktur in Form von Phosphaten auf (z. B. LiFePO). ₄ ) (Daniel et al. 2014). Diese Kathodenmaterialien weisen alle Kapazitäten im Bereich von 120–160 Ah/kg bei 3,5–3,7 V auf, was zu einer maximalen Energiedichte von bis zu 600 Wh/kg führt.

Bei der Verpackung in realen Geräten kommt jedoch viel inaktive Materialmasse hinzu und die Energiedichte sinkt auf Packungsebene tendenziell auf 100 Wh/kg. Um eine höhere Energiedichte voranzutreiben, suchten Forscher nach höherer Kapazität und höherer Spannung – und fanden sie in Lithium- und Mangan-reichen Übergangsmetalloxiden. Bei diesen Verbindungen handelt es sich im Wesentlichen um die gleichen Materialien wie bei NMC, allerdings ersetzen ein Überschuss an Lithium und höhere Mengen an Mangan Nickel und Kobalt. Die höheren Lithiummengen (bis zu 20 Prozent mehr) ermöglichen den Verbindungen eine höhere Kapazität (Thackeray et al. 2007) und eine höhere Spannung, was zu Kathoden mit bis zu 280 Ah/kg bei einer Ladung bis 4,8 V führt Diese neuen Verbindungen weisen Stabilitätsprobleme auf und neigen dazu, schnell zu verblassen.

Materialausgleich in Zellen

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Schichten poröser Elektroden auf Stromkollektorfolien aus Aluminium und Kupfer (Daniel 2008). Die Kapazität jedes Elektrodenpaars muss ausgewogen sein, um die Batteriesicherheit zu gewährleisten und das Risiko einer Überladung der Anode (die zu einer Lithiummetallisierung und einem Kurzschluss führen kann) oder einer Überentladung der Kathode (die zum Zusammenbruch der Kristallstruktur führen kann) zu vermeiden und Verlust von Leerstellen für die Reinterkalation von Lithium, was zu einer drastischen Verringerung der Kapazität führt).

Graphit hat eine theoretische Kapazität von 372 Ah/kg, doppelt so viel wie das verfügbare Lithium in NMC-Kathoden. Bei ausgewogenen Lithium-Ionen-Batterien weisen die Kathoden daher typischerweise die doppelte Dicke im Vergleich zur Anode auf. Dieser inhärente Fehler des Zelldesigns verursacht Probleme beim Massentransport und der Kinetik und war daher Anlass für die Suche nach Kathoden mit hoher Kapazität.

Um die Energiedichte auf Zellebene zu erhöhen, werden inaktive Materialien in Batteriezellen minimiert. Eine Möglichkeit, den Stromkollektor zu reduzieren, besteht beispielsweise darin, die Dicke der Elektroden zu erhöhen. Dies führt jedoch zu weiteren Transportproblemen und erfordert eine hochentwickelte Porosität in der Elektrode.

Kostenherausforderungen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien

Die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien sind viel höher, als der Automobilmarkt bei vollständiger Verbreitung von Elektrofahrzeugen und einem kostenneutralen Produkt im Vergleich zu Autos mit Verbrennungsmotor verkraften könnte. Das Kostenziel des US-Energieministeriums für alle Batterien von Elektrofahrzeugen liegt bei 125 USD/kWh nutzbarer Energie (DOE 2013). Die aktuellen Kosten für kommerzielle Batterien betragen 400–500 US-Dollar/kWh und die voraussichtlichen Kosten mit aktuellen experimentellen Materialien belaufen sich auf 325 US-Dollar/kWh. Der größte Teil der Kostensenkung wurde bisher durch eine Erhöhung der Energiedichte zu ähnlichen Kosten wie bei Produkten der älteren Generation erreicht.

Eine weitere Kostensenkung ist durch die Optimierung der Fertigungspläne möglich. Lithium-Ionen-Batterien werden in Elektrodensätzen hergestellt und dann zu Zellen zusammengebaut. Aktives Material wird mit Polymerbindemitteln, leitfähigen Zusätzen und Lösungsmitteln gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, die dann auf eine Stromkollektorfolie aufgetragen und getrocknet wird, um das Lösungsmittel zu entfernen und eine poröse Elektrodenbeschichtung zu erzeugen. Das Lösungsmittel der Wahl, N-Methylpyrrolidon (NMP), gilt als indirektes Material (Es wird für die Produktion benötigt, ist aber nicht im Endprodukt enthalten), aber es ist teuer, weist brennbare Dämpfe auf und ist hochgiftig.

Die brennbaren Dämpfe von NMP erfordern, dass alle Verarbeitungsgeräte bei der Herstellung von Elektroden explosionsgeschützt sind. Das bedeutet, dass alle funkenerzeugenden elektrischen Komponenten vor den Dämpfen geschützt werden müssen und die Räume gut belüftet sein müssen, um die Dampfkonzentration niedrig zu halten. Diese Maßnahmen erhöhen die Kapitalkosten solcher Geräte erheblich.

Darüber hinaus muss die Elektrodenherstellungsanlage das Lösungsmittel aus ihrem Abgasstrom zurückgewinnen, destillieren und recyceln. Dies ist wiederum ein zusätzlicher Kostenfaktor.

Kostensenkung durch wasserbasierte Verarbeitung

Der Ersatz von NMP durch Wasser ist eine enorme Chance, die Kosten bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu senken. Die Kosten für Wasser sind im Vergleich zu denen von NMP vernachlässigbar; Wasser ist nicht brennbar und erzeugt keine brennbaren Dämpfe; und Wasser ist umweltfreundlich. Allerdings ist Wasser ein polares Lösungsmittel und verhält sich völlig anders als das unpolare NMP. Darüber hinaus neigen aktive Materialien zur Agglomeration und metallische Stromkollektoroberflächen sind hydrophob, was den Beschichtungsprozess erschwert.

Die Kenntnis der Oberflächenladungen von Partikeln (durch Messung des Zetapotentials) ermöglicht die Gestaltung der Oberflächenpolarität in Gegenwart von Wasser durch Einführung kleiner Mengen an Tensiden. Im Fall von Kathodeninterkalationsverbindungen wurde Polyethylenimid erfolgreich eingesetzt, um eine Oberflächenladung einzuführen, die groß genug ist, um Partikel abzustoßen, sodass diese keine inakzeptablen Agglomerate bilden (Li et al. 2013).

Das Verständnis der Oberflächenenergie von Metallen und der Oberflächenspannung der Aufschlämmung sowie deren Wechselwirkung ermöglicht eine Optimierung des Paares. Die atmosphärische Plasmabehandlung der Metalloberfläche durch Einwirkung eines Koronaplasmas entfernt organische Verbindungen auf der Oberfläche und ermöglicht eine leichte Ätzung und Oxidation, wodurch die Oberflächenenergie drastisch auf Werte unterhalb der Oberflächenspannung der Aufschlämmung reduziert wird. Dies ermöglicht eine perfekte Benetzung der Oberfläche durch die Schlämme und erzeugt eine Beschichtung mit optimierter Haftung (Li et al. 2012). Das Ergebnis ist eine Reduzierung der Betriebs- und Materialkosten um 75 Prozent bei der Elektrodenherstellung und eine potenzielle Kostenreduzierung von bis zu 20 Prozent auf Batteriepackebene für Automobilanwendungen (Wood et al. 2014). Darin sind die geringeren Gerätekosten nicht enthalten: Die mit der Plasmaverarbeitungsausrüstung verbundenen Kosten sind viel niedriger als die für das Lösungsmittelrückgewinnungssystem und die Explosionsschutzanforderung.

Zukünftige Möglichkeiten zur Kostensenkung

Weitere Kostensenkungen werden durch ein besseres Wissen über Transportmechanismen und Auswirkungen der Elektrodenarchitektur auf die elektrochemische Leistung erreicht. Die aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Modellierung und Simulation, um molekulare Mechanismen zu verstehen und das Design von Elektroden, Elektrodenstapeln und Batteriezellen zu verbessern. Dickere Elektroden und eine enorme Reduzierung inaktiver Materialien werden die Energiedichte bei geringeren Kosten verbessern, die direkten Kosten senken und möglicherweise viel kürzere und weniger energieintensive Batteriebildungszyklen ermöglichen.

Abschluss

Lithium-Ionen-Batterien haben ein enormes Potenzial für die teilweise bis vollständige Elektrifizierung der Automobilflotte, die Diversifizierung der Energiequellen für den Transport und die Unterstützung groß angelegter Energiespeicherung für eine stärkere Durchdringung der intermittierenden erneuerbaren Energieversorgung. Allerdings bleiben die Kosten weiterhin ein Problem und müssen durch die Entwicklung einer robusten Lieferkette, von Fertigungsstandards, eines hohen Fertigungsdurchsatzes und optimierter, kostengünstiger Verarbeitungsmethoden angegangen werden. Neben der Kostensenkung kann die Forschung das Wissen über molekulare Prozesse und Transportprobleme erweitern, um das Design und die Nutzung der verfügbaren Energie in Batterien zu optimieren und deren Lebensdauer zu verlängern.

Wie in diesem Artikel gezeigt, sind eine Erhöhung des Energieinhalts und der Kapazität in aktiven Elektrodenmaterialien und eine Reduzierung der indirekten Materialien in der Produktion zwei Möglichkeiten, die Kosten zu beeinflussen.

Danksagungen

Teile dieser Forschung am Oak Ridge National Laboratory (ORNL; verwaltet von UT Battelle, LLC) für das US-Energieministerium (unter Vertrag DE-AC05-00OR22725) wurden vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies gesponsert Unterprogramm „Applied Battery Research“ (ABR) des Office (VTO) (Programmmanager: Peter Faguy und David Howell). Der Autor würdigt viele fruchtbare Diskussionen und Beiträge von David Wood, Jianlin Li und Debasish Mohanty von der DOE Battery Manufacturing R&D Facility am ORNL und Beth Armstrong in der Abteilung für Materialwissenschaft und -technologie des ORNL.

Quelle des Artikels:Spring Bridge: Von den Grenzen der Technik und darüber hinaus