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) 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 1
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 2
I Funktionsprinzip einer Li-Ionen Batterie http://www.nachhaltige-produktion.de W. F. Rick (Advanced Battery Technology Online) 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 3
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! 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 4
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 5
I Konzept Physikalische und elektrochemische Charakterisierung Synthese ionischer Flüssigkeiten Erstellung von Mischungen 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 6
II Referenzsystem (Li 4 Ti 5 O12) 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 7
II i) Eingesetzte Materialien Polyvinylidenfluorid (PVdF) Natrium-Carboxymethylcellulose (Na-CMC) Substitutionsgrad: 0.9 (hier: 1.0) Ruß (CB) N-Methyl-2-pyrrolidon www.findtheneedle.co.uk 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 8
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 9
II ii) ) Herstellung/Zusammensetzung Zusammensetzungen Material wt-% Li 4 Ti 5 O 12 90 Ruß 5 PVdF 5 Material wt-% Li 4 Ti 5 O 12 89.6 Ruß 5 Na-CMC 5 Triton X-100 0.4 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 www.knowpap.com 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 10
II iii) Physikalische Charakterisierung Einfluss der Verdichtung auf die Elektrodenmikrostruktur Oberflächenglättung durch Verdichtung Minimierung der Porenanzahl durch Verdichtung Minimierung der Porengrößen durch Verdichtung 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 11
II iii) Physikalische Charakterisierung Einfluss des Bindersystems auf die Elektrodenmikrostruktur NMP basiertes Bindersystem Wasser basiertes Bindersystem 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 12
II iv) ) Elektrochemische Charakterisierung Zyklovoltammetrie Probe Ladekapazität Entladekapazität Effizienz Unverdichtet 149.5 mah/g 5.9 mah/g 4.0 % Verdichtet 157.6 mah/g 151.7 mah/g 96.2 % Wasser basiert 175.8 mah/g 149.2 mah/g 84.9 % 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 13
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 14
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 15
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 16
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 17
III Ausblick 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 18
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 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 19
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! 23.05.2012 5. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz 20