Projects
Current projects (due date 03/2023)
- [Inline-Klassifizierung von Beschichtungsfehlern zur Ermittlung der Kritikalität in der Elektrodenherstellung (KritBATT)]
- [Strukturmechanische Kathodenadaption an Silizium und Lithiumbasierte Anodenwerkstoffe (KaSiLi)]
- [Modellgestützte Auslegung und Optimierung von extrusions-basierten Elektroden und Vollzellen (OptiEx)]
- [Artificial Solid Electrolyte Interphase development on single particle Li-ion anode materials via ALD - formation, modification and detection]
- [Bewertung des Verdichtungsverhaltens von Pulvern und Granulaten im instrumentierten Pressversuch]
Inline-Klassifizierung von Beschichtungsfehlern zur Ermittlung der Kritikalität in der Elektrodenherstellung (KritBATT)
Das Projekt KritBatt ist im BMBF-Kompetenzcluster Analytik / Qualitätssicherung – AQua angesiedelt, welches die Aufgabe hat, Evaluierungsmethoden für Batterien in puncto Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit voranzubringen und damit die Fertigungsschritte der gesamten Prozesskette zu optimieren, sowie Kosten zu reduzieren. Das Projekt KritBatt konzentriert sich auf die Qualitätssicherung im Bereich der Elektrodenfolienproduktion. In diesem Prozess treten unerwünschte Defekte wie beispielsweise Agglomerate, Punktdefekte, Liniendefekte oder auch Fremdpartikel auf. Diese führen zu verringerter Ausbeute, hohen Ausschussraten und Folgekosten. Es fehlt an quantifizierbaren und generalisierbaren Kritikalitätskriterien, welche eine Korrelation zwischen Art und Umfang der Beschichtungsfehler sowie deren Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden erlauben.
Im Projekt KritBatt arbeitet die TU Dresden (IfWW) zusammen mit den Projektpartnern des Fraunhofer IKTS-DD, Fraunhofer IKTS-MD und PEM der RTWH Aachen an der Entwicklung einer Inline-Messtechnik zur Qualitätskontrolle von Elektroden im Beschichtungsprozess. Am Fraunhofer IKTS-DD werden auf Basis langjähriger Erfahrungen im Bereich der Elektrodenherstellung gezielt spezifische Fehlerbilder auf Elektrodenfolien produziert. An der TU Dresden (IfWW) werden die spezifischen Fehler mit lokalen elektrischen, elektrochemischen und materialcharakteristischen Methoden analysiert. Die Elektrodenfolien der Projektpartner werden segmentiert und hinsichtlich ihrer lokalen elektrochemischen Eigenschaften wie Kapazität, Ratenfähigkeit, Zyklenstabilität sowie kinetischer Parameter analysiert. Des Weiteren kommt ein spezieller Zellaufbau zum Einsatz, mit welchem sich ortsaufgelöste Ströme trennen lassen. Dadurch können bestimmte Fehlerelektroden mit defektfreien Elektroden oder auch verschiedene Defekte untereinander verglichen werden. Zusätzlich erfolgt die Materialanalyse der Elektroden mittels Lock-In Thermographie und Ramanspektroskopie um Defekte zu erfassen oder ebenfalls über Rasterelektronenmikroskopie die Kompositmorphologie der defektbehafteten Elektroden zu ermitteln. Die Korrelation der ermittelten lokalen materialcharakteristischen Eigenschaften mit den entsprechenden elektrochemischen Leistungsparametern erlaubt Aussagen über die Auswirkung und Signifikanz der spezifischen Fehlerbilder. Die erhaltenen Erkenntnisse werden an die Projektpartner des Fraunhofer IKTS-MD übergeben. Hier wird das Inline-Messverfahren der Laser-Speckle-Photometrie entwickelt, mit welcher eine schnelle und berührungslose Charakterisierung von Elektrodenfolien möglich ist. Mithilfe einer KI-basierten Lösung unter Einsatz von Künstlichen Neuronalen Netzen (KNN) soll die LSP zum Fehlernachweis und zur Klassifizierung etabliert werden. Die Aufgabe des PEM der RTWH Aachen ist es, das Benchmarking des neu entwickelten LSP-Verfahrens auf einer Rolle-zu-Rolle Anlage durch kommerziell verfügbare optische Prüftechnik durchzuführen.
Projektleiter: Dr. Christian Heubner (FhG IKTS) Projektmitarbeiter: Tobias Lein Finanzierung: BMBF
Laufzeit: 03/2021 - 02/2024
Strukturmechanische Kathodenadaption an Silizium und Lithiumbasierte Anodenwerkstoffe (KaSiLi)
Das Projekt „KaSiLi“ ist ein Verbundvorhaben mehrerer Dresdner Forschungsein-richtungen (TU Dresden IfWW und AC1, Fraunhofer IWS und IKTS, Leibnitz IFW, NaMLab gGmbH) im Rahmen des Kompetenzclusters „Relevante Materialkonzepte für Hochenergiebatterien“ (ExcellBattMat) des Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Im Fokus steht die Entwicklung von Hochenergie-Lithiumionenbatterie (LIB)-Zellen auf Basis von Silizium- und Lithium-Anoden, die eine Steigerung der volumetrischen Energiedichte um bis zu 65 % gegenüber herkömmlichen Lithiumionenzellen erlauben. Die deutlichen ladungszustandsabhängigen Volumenänderungen dieser Anoden-materialien auf der Mikroskala summieren sich jedoch zu einer (makroskopische) Dickenänderung der Batteriezellen und führen damit zu großen Herausforderungen bei der Integration der Zellen in Batteriesysteme. Hier setzt das Vorhaben mit innovativen Ansätzen zur Reduzierung der Volumenänderungen an. Das Gesamtziel ist die Entwicklung von Hochenergie Zellen (Lithium-Schwefel und LIB) auf Basis von Lithium- und Silizium-Anoden mit einer Steigerung der Energiedichte gegenüber herkömmlichen LIB und einer Minimierung der Volumenänderung während des Zyklierens. Zum Erreichen dieser Ziele wird im Projekt von der Material- und Prozessentwicklung über beigeordnete Analytik und darauf basierende strukturmechanische Anpassung der Einzelkomponenten bis zur Fertigung von Prototypzellen die Wertschöpfungskette der Batteriezellfertigung betrachtet.
Die an der Professur ANW angesiedelten Arbeiten umfassen dabei zum einen die Entwicklung von NCM-Kathoden, deren elektrochemische Eigenschaften (z.B. Kapazität, Stromtragfähigkeit) und mechanisches Verhalten an das Verhalten von Siizium- und Lithium-Anoden angepasst ist, um die starken Volumenänderungen dieser Anodenmaterialien weitest möglich zu kompensieren. Dies wird durch geschickte Pulverauswahl und entsprechende Anpassung der Elektrodenprozessierung realisiert. Die einzelnen Prozessschritte (Pulveraufbereitung, Slurry-Rezeptur, Folienguss) haben ihren Ursprung in der Herstellung von Keramischen Bauteilen, so dass am Lehrstuhl großes Fachwissen zur Verfügung steht. Zum anderen liegt der Fokus auf dem Verständnis des elektrochemischen Verhaltens der einzelnen Komponenten sowie deren Interaktion in einer Batteriezelle. Dazu dienen die Arbeiten in der Gruppe „Kombinatorische Mikroelektrochemie“. Dabei werden Lithium- und Silizium-Anoden sowie auch angepasste NCM-Kathoden charakterisiert, wobei konventionelle und auch innovative (Transientenverfahren, Staircase-GITT, LEIS) elektrochemische Messverfahren sowie komplementäre materialdiagnostische Methoden (XRD, Schwingungsspektroskopie, Mikroskopie) sowohl ex situ als auch als operando-Verfahren zum Einsatz kommen. Abgerundet werden diese experimentellen Arbeiten durch modellbasierte Berechnung von Elektrodeneigenschaften und – daraus resultierend – die Auslegung Elektroden und ganzen Vollzellen hinsichtlich ihrer „Designparameter“ wie Elektrodendicke/-Porosität, Balancierung, Elektrolytvolumen, etc.
Projektleiter: Dr. Christian Heubner (FhG IKTS) Projektmitarbeiter: Jonas Schlaier, Oliver Lohrberg, Wilhem Boldt Finanzierung: BMBF
Laufzeit: 11/2019 - 04/2023 (mit KNV)
Modellgestützte Auslegung und Optimierung von extrusions-basierten Elektroden und Vollzellen (OptiEx)
An der TU Dresden (TUD) sollen auf Basis umfangreicher Vorarbeiten zu Blend- und Mehrschicht-systemen modellgestützte Vorgaben für die Elektrodenauslegung hinsichtlich optimaler Strukturen und Materialkombinationen für maximale Energiedichte und Schnellladefähigkeit der extrusionsba-sierten Batteriezellen erarbeitet werden. Dazu werden die im Rahmen der ersten ProZell-Phase im HiLo Projekt entwickelten analytischen Werkzeuge zur modellgestützten Optimierung des Elektro-dendesigns um den Einfluss von Blend- und Mehrschichtsystemen erweitert. Des Weiteren sollen die auf Elektrodenebene durchgeführten Betrachtungen hin zu Vollzellen inkl. Zellgehäuse und zusätzlicher Peripherie ausgebaut werden, um etwaige Einflüsse auf die optimalen Strukturen und Materialkombinationen zur Maximierung von Energiedichte und Schnellladefähigkeit der extrusi-onsbasierten Batteriezellen zu ermitteln. Nach Validierung der entwickelten Modelle ist es Ziel die optimierten Elektrodenparameter, entsprechend spezifischer Anforderungen und Randbedingun-gen, an die Projektpartner zur praktischen Umsetzung zu übergeben. Nach erfolgter Umsetzung soll ein weiterer Abgleich zu den Modellvorhersagen stattfinden. Dieses Vorgehen hat das Ziel eine signifikante Reduktion iterativer Schritte bei der praktisch-empirischen Optimierung zu errei-chen sowie zusätzlichen Input und Ansätze für die Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Pilotmaßstab zu liefern.
Ein weiteres Arbeitsziel besteht im Aufbau eines grundlegenden und detaillierten Verständnisses der elektrochemischen Eigenschaften der hergestellten extrusionsbasierten Elektroden unter Ver-wendung fortgeschrittener elektroanalytischer Methoden. Dabei gilt es limitierende Prozesse und damit verbundene Optimierungspotentiale zu identifizieren und kinetische Parameter zu ermitteln, welche wiederum in die Modellbildung einfließen, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern. Dies beinhaltet auch die elektrochemische und spektroskopische Charakterisierung der Elektroden hinsichtlich Homogenität und Defekten und damit der Reproduzierbarkeit des Extrustionsprozes-ses mittels potentiell skalierbarer Verfahren.
Das iterativ wechselseitige Zusammenspiel zwischen theoretischer Modellbildung, experimenteller Validierung und Mechanismenaufklärung von extrusionsbasierten Elektroden soll in Kooperation mit den Verbundpartnern die Herstellung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen, was wiederum Basis für eine wissensbasierte, und dadurch effektive und zielgerichtete Elektrodenfertigung ist.
Projektleiter: Dr. Christian Heubner (FhG IKTS) Projektmitarbeiter: Karsten Voigt Finanzierung: BMBF
Laufzeit: 07/2020 - 06/2023
Artificial Solid Electrolyte Interphase development on single particle Li-ion anode materials via ALD - formation, modification and detection
Hierbei handelt es sich um ein Kooperationsprojekt des Lehrstuhls mit der Arbeitsgruppe um Professor Yair Ein-Eli am Technion-Institut in Tel Aviv, Israel:
"Alloying and conversion anode materials for lithium ion batteries exhibit outstanding
theoretical capacities but suffer from stability and lifetime limitations caused by dramatic
volume changes during cycling. The volume expansion during lithiation causes a disruption of the solid electrolyte interphase (SEI) and subsequent recreation, resulting in reduced coulombic efficiency, large initial capacity loss and insufficient cycle life and safety
performance. A major approach to tackle these critical issues is the development of an
advanced artificial SEI layer at the surface of the active material particles. In contrast to the “natural” SEI, which is constructed from decomposition products of the electrolyte during the first cycle, an artificial SEI can be designed with specific properties, such as flexibility and low charge transfer resistance. However, this is a sophisticated scientific challenge and requires a deep understanding of both the formation of the artificial SEI and the resulting electrochemical properties at the particle level. Therefore, the joint project aims at the development of an artificial SEI layer on graphite and Si (Li-alloying anode material), and indepth analysis of this system. This will be done by coating anode powder material with nanometric layers of LiF/Li2CO3/Alkyl-carbonate species using Atomic Layer Deposition (ALD). In order to understand the resulting electrochemical properties and to deduce further optimization potential accurately, analysis will be carried out using both single particle techniques and composite electrodes studies, that can directly be used in advanced lithiumion batteries."
Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis Projektmitarbeiter: Jonas Schlaier Finanzierung: GIF (German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development)
Laufzeit: 04/2020 - 10/2023
Bewertung des Verdichtungsverhaltens von Pulvern und Granulaten im instrumentierten Pressversuch
Der Erfolg der Verdichtung von Pulvern oder Granulaten durch uniaxiales Pressen zu dichten, festen, homogenen und defektarmen Formkörpern ist in hohem Maß vom Einsatz zweckoptimierter Binde- und /oder Gleitmittel abhängig. Deren Auswahl aus einer unüberschaubaren Vielfalt sowie die Charakterisierung ihrer Wirksamkeit erfolgten bisher nahezu ausschließlich empirisch. Mit Hilfe eines in einem breiten Druckbereich einsetzbaren instrumentierten Presswerkzeuges ist eine Einschätzung des Verdichtungsverhaltens auf der Basis exakter physikalischer Parameter möglich. Über die konventionelle Druck - Dichte - Kurve hinaus werden Formkörperfestigkeit, reibspezifische Parameter wie Kraftdurchgangs-, Wandreibungs- und Pulverreibungskoeffizient, Ausstoßkräfte, eine Energiebilanz der Verdichtung, Parameter der elastischen Relaxation sowie Druck- und Dichteverteilungen ermittelt. In Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern aus der Industrie werden unmittelbar praxisrelevante Probleme bei der Verdichtung von vorzugsweise Materialien der Hochleistungskeramik (Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid), der Mangan - Zink - Ferrite, Hartmetalle, Steatite, Metallpulver sowie Polymere bearbeitet.
Projektleiter: Herr Dr. Manfred Fries (Fraunhofer IKTS)
Finanzierung: Industrie
Laufzeit: kontinuierlich