Einsatz ionischer Flüssigkeiten als Elektrolyt in Lithium-Ionen. Ionen-Zellen. I. Mertens, P. Schulz, P. Wasserscheid (FAU)

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1 Einsatz ionischer Flüssigkeiten als Elektrolyt in Lithium-Ionen Ionen-Zellen S. Wennig,, G. Topalov,, B. Oberschachtsiek,, A. Heinzel (ZBT) I. Mertens, P. Schulz, P. Wasserscheid (FAU) Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 1

2 Inhaltsverzeichnis I Projektvorstellung II Referenzsystemherstellung am Beispiel von Li 4 Ti 5 O 12 basierten Anoden i) Einführung ii) iii) iv) Herstellung/Zusammensetzung Physikalische Charakterisierung Elektrochemische Charakterisierung III Ausblick Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 2

3 I Funktionsprinzip einer Li-Ionen Batterie W. F. Rick (Advanced Battery Technology Online) Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 3

4 I Elektrolyte (Stand der Technik) Lösungsmittelgemisch aus zyklischen bzw. linearen organischen Carbonaten und einem Lithium-Ionen leitenden Salz Nachteile: O O O Ethylencarbonat R = CH 3 R = C 2 H 5 leichte Entflammbarkeit brandfördernd niedrige Zersetzungstemperatur (Dimethylcarbonat) (Diethylcarbonat) F F F P - F F F Li + Lithiumhexafluorophosphat Thermal runaway Verwendung ionischer Flüssigkeiten! Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 4

5 I Ionische Flüssigkeiten Organische Salzschmelzen mit einem Schmelzpunkt < 100 C Vorteile: sehr geringer Dampfdruck hoher Flammpunkt hohe oxidative elektrochemische Beständigkeit Nachteile: hohe Viskosität schlechte Benetzung von Elektroden bzw. von Separatoren limitierte ionische Leitfähigkeit limitierte reduktive Stabilität Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 5

6 I Konzept Physikalische und elektrochemische Charakterisierung Synthese ionischer Flüssigkeiten Erstellung von Mischungen Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 6

7 II Referenzsystem (Li 4 Ti 5 O12) Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 7

8 II i) Eingesetzte Materialien Polyvinylidenfluorid (PVdF) Natrium-Carboxymethylcellulose (Na-CMC) Substitutionsgrad: 0.9 (hier: 1.0) Ruß (CB) N-Methyl-2-pyrrolidon Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 8

9 II i) Eingesetzte Materialien (Ladevorgang) Lithiumtitanoxid (LTO) Li 4 Ti 5 O 12 Fakten: Theoretische Kapazität: 175 mah/g Lithiierung/Delithiierung bei ungefähr 1.5 V vs. Li/Li + Flache Lade-Entladekurve Zero-strain Material Verwendung als High-Power-Anodenmaterial Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 9

10 II ii) ) Herstellung/Zusammensetzung Zusammensetzungen Material wt-% Li 4 Ti 5 O Ruß 5 PVdF 5 Material wt-% Li 4 Ti 5 O Ruß 5 Na-CMC 5 Triton X Herstellung Dispersion von Ruß in der Lösungsmittel- Binder Matrix mittels Ultraschalldispergierer Mechanische Behandlung der Dispersion nach Aktivmaterialzugabe mittels a) Ultraschalldispergierer b) Turbomischer Pastenauftrag auf Aluminiumfolie mittels Rakel unter Variation der Nassfilmdicke Verdichtung ausgewählter Proben Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 10

11 II iii) Physikalische Charakterisierung Einfluss der Verdichtung auf die Elektrodenmikrostruktur Oberflächenglättung durch Verdichtung Minimierung der Porenanzahl durch Verdichtung Minimierung der Porengrößen durch Verdichtung Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 11

12 II iii) Physikalische Charakterisierung Einfluss des Bindersystems auf die Elektrodenmikrostruktur NMP basiertes Bindersystem Wasser basiertes Bindersystem Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 12

13 II iv) ) Elektrochemische Charakterisierung Zyklovoltammetrie Probe Ladekapazität Entladekapazität Effizienz Unverdichtet mah/g 5.9 mah/g 4.0 % Verdichtet mah/g mah/g 96.2 % Wasser basiert mah/g mah/g 84.9 % Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 13

14 II iv) ) Elektrochemische Charakterisierung Galvanostatische Zyklisierung Einfluss der Prozessierung Geringfügig höhere Kapazitäten über den analysierten C-Raten Bereich für mit Ultraschall synthetisierte Elektroden Geringere Polarisationen für mit Ultraschall hergestellte Proben Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 14

15 II iv) ) Elektrochemische Charakterisierung Galvanostatische Zyklisierung Einfluss der Verdichtung Leicht verdichtete Proben zeigen limitierte elektrochemische Leistungsfähigkeit auf Erhebliche Verringerung der Polarisation durch starke Verdichtung der Elektroden Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 15

16 II iv) ) Elektrochemische Charakterisierung Galvanostatische Zyklisierung Einfluss der Beschichtungsdicke Infolge von Diffusionslimitierungen werden bei höheren Beschichtungsdicken geringere Entladekapazitäten erzielt Erhöhung der Polarisationen bei Anhebung der Aktivmassenbeladung Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 16

17 II iv) ) Elektrochemische Charakterisierung Galvanostatische Zyklisierung Einfluss des Bindersystems Bessere elektrochemische Leistungsfähigkeit der unverdichteten, wasserbasierten Elektroden im Vergleich zu den komprimierten NMPbasierten Proben Effektivere Partikelanbindung durch Substitution des organischen Lösungsmittelbindersystems durch ein wasserbasiertes Binderssystem Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 17

18 III Ausblick Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 18

19 III Ausblick Li 4 T 5 O 12 : Untersuchung des Einflusses der Verdichtung und verschiedener Schichtdicken von wasserbasierten Proben LiFePO 4 : Vergleich von Elektrodenstrukturen und elektrochemischer Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit des Binderssystems und des Kompressionsgrades LiNi x Mn y Co z O 2 und Graphit: Erstellung und Charakterisierung von entsprechenden Referenzsystemen (Fokussierung auf verschiedene Bindersysteme) Implementierung von ionischen Flüssigkeiten in Li-Ion-Halbzellenanalysen Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 19

20 Danksagung Allianz Industrie und Forschung für die finanzielle Unterstützung Future Carbon GmbH (Materiallieferung) Freudenberg & Co. KG (Materiallieferung) Dr. G. Prinz (REM) Universität Duisburg-Essen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 20

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