Verstehen von Batterietypen, Komponenten und der Rolle der Batteriematerialprüfung in Entwicklung und Herstellung

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Jedes Gerät, das seine chemische Energie durch Reduktions-Oxidationsreaktionen (Redoxreaktionen) an seinen aktiven Materialien, die allgemein als Elektroden bekannt sind, in elektrische Energie umwandeln kann, wird heute pädagogisch als Batterie bezeichnet.1 Im Wesentlichen enthält eine Batterie eine oder mehrere identische Zellen Jede speichert elektrische Energie als chemische Energie in zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind.2

Wer hat die Batterie erfunden?

Was sind die wichtigsten Batterietypen?

- Primärbatterien

- Sekundärbatterien

Woraus bestehen Batterien und was sind die Hauptkomponenten der Batterie?

- Batterietrenner - Batterieelektrolyt

- Anode

- Kathode

- Stromabnehmer

Wie werden Batterien hergestellt und warum sollte man ein Batteriematerial testen?

- Verunreinigung des Batteriematerials

- Batteriesicherheit

- Thermisches Durchgehen

- Batterieverschlechterung

- Kostenreduzierung

Analytische Tests in der Batterieherstellung

- Rohstoffanalyse

- Batterieschlammanalyse

- Elektrodenanalyse

- Elektrolytanalyse

- Prüfung der Batterieleistung

- Überwachung nach der Produktion

Batterieforschung und grüne Batterien

Durch das Eintauchen zweier verschiedener Metalle oder Metallverbindungen (Elektroden) in ein ionenleitendes System (Elektrolyt) neigen Elektronen dazu, sich von einer Elektrode zur anderen zu bewegen und nutzen dabei die grundlegende elektrochemische Eigenschaft der Elektroden. Wenn eine Last angeschlossen wird, beginnen Elektronen von einer Elektrode zur anderen zu fließen und erzeugen so Strom. Dies nennt man Entladen. Beim Lade- bzw. Wiederaufladevorgang wird an die Elektroden ein Gegenpotential angelegt, wodurch die Elektronen in ihre ursprüngliche Position zurückkehren. Normalerweise wird im Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden ein ionenporöser Separator platziert, um einen Kurzschluss zu verhindern. Abbildung 1 zeigt ein Schema der ersten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion).3

In diesem Artikel betrachten wir die wichtigsten Batterietypen, Batteriekomponenten und -materialien sowie die Gründe und Methoden, mit denen Batteriematerialien getestet werden.

Batterien sind vielleicht die am weitesten verbreitete und älteste Form der Energiespeichertechnologie in der Geschichte der Menschheit.4 Dennoch wurde der Begriff „Batterie“ erst 1749 von Benjamin Franklin geprägt, um mehrere Kondensatoren zu beschreiben (bekannt als Leyden-Gläser, nach der Stadt Leyden). die es entdeckt wurde), in Reihe geschaltet. Der Begriff „Batterie“ wurde vermutlich aufgrund der Analogie zur bestehenden Terminologie gewählt, die zur Beschreibung einer Gruppierung ähnlicher Ausrüstung verwendet wird, die kollektiv arbeitet, wie eine Batterie von Artilleriegeschützen. Interessanterweise bezieht sich der Begriff „Batterie“ heutzutage, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, allgemein auf elektrochemische Zellen, die zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden, und sogar eine einzelne Zelle wird mittlerweile als Batterie bezeichnet.

Im Laufe der technologischen Entwicklung haben mehrere bemerkenswerte Fortschritte eine bedeutende Rolle bei der Gestaltung und Weiterentwicklung moderner Batterien gespielt. Es wurde spekuliert, dass die Bewohner der parthischen Zivilisation im 17. Jahrhundert mithilfe von Gefäßen, die aus einem Eisenstab in einem Kupferzylinder bestanden, Gold auf Silber elektroplattierten, eine Anordnung, die als „Bagdad-Batterie“ bekannt ist. Allerdings gilt Alexander Volta als der eigentliche Entdecker der Batterien.1 Er führte im Jahr 1800 die erste erfolgreiche Demonstration einer modernen Batterie durch, die gemeinhin als Voltaische Säule bezeichnet wird. Zu den weiteren Entwicklungen gehören die Daniel-Zelle im Jahr 1836 und die erste wiederaufladbare Batterie, die Blei-Säure-Batterie, im Jahr 1854. Lithiumbasierte Batterien waren die letzten, die in der Weiterentwicklung der Batterietechnologie aufkamen, und wurden erst in den 1970er Jahren eingeführt. Abbildung 2 zeigt den Zeitplan der Einführung der gängigen Batterietypen.

Es gibt zwei Haupttypen von Batterien. Dies sind Primärbatterien und Sekundärbatterien. Tabelle 1 bietet einen Überblick über die wichtigsten kommerziellen Batteriechemien, zusammen mit ihrer Klasse (primär/sekundär) und Beispielen typischer Anwendungsbereiche. Betrachten wir die gebräuchlicheren Typen genauer.

Diese werden auch als nicht wiederaufladbare Batterien bezeichnet. Sie sind für den einmaligen Gebrauch konzipiert und werden dann entsorgt, ohne dass eine Wiederaufladung möglich ist. Sobald ihre Energie erschöpft ist, müssen sie ersetzt werden. Primärbatterien werden im geladenen Zustand zusammengebaut und ihre Kapazität ist auf die Energiemenge begrenzt, die aus der Menge der bei der Herstellung in sie eingebrachten Reaktanten gewonnen werden kann. Abbildung 3 zeigt das Prozessflussdiagramm von Materialien und Ressourcen über den Lebenszyklus von Primärbatterien.5 Bemerkenswerte Beispiele für Primärbatterien sind Alkalibatterien und Lithium-Metall-Batterien.

Eine Alkalibatterie ist eine gängige Art von Primärbatterie, die häufig in verschiedenen elektronischen Geräten wie Taschenlampen, Fernbedienungen, Spielzeug und tragbaren Elektronikgeräten verwendet wird. Dieser Batterietyp verwendet typischerweise Zink (Zn) als negative Elektrode und Mangandioxid (MnO2) als positive Elektrode, mit einem alkalischen Elektrolyten, normalerweise Kaliumhydroxid (KOH) zwischen den Elektroden. Alkaline-Batterien bieten eine hohe Energiedichte und gute Leistung bei mäßiger Belastung bei langer Haltbarkeit

Lithium-Metall-Batterien (nicht zu verwechseln mit Li-Ionen-Batterien) sind eine Art Primärbatterie, die metallisches Lithium (Li) als negative Elektrode und eine Kombination verschiedener Materialien wie Eisendisulfid (FeS2) oder MnO2 als positive Elektrode verwendet . Diese Batterien bieten eine hohe Energiedichte, ein leichtes Design und eine hervorragende Leistung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen. Lithium-Metall-Batterien bieten eine lange Haltbarkeit und zuverlässige Leistung. Daher werden sie häufig in medizinischen Geräten, Uhren, Taschenrechnern und Notstromsystemen verwendet.

Sekundärbatterien können nach dem Entladen wieder aufgeladen werden, indem der Stromfluss durch die Batterie umgekehrt wird. Andere Bezeichnungen für diesen Batterietyp sind wiederaufladbare Batterie oder Akku. Sekundärbatterien werden in der Regel im entladenen Zustand zusammengebaut und müssen zunächst aufgeladen werden, bevor sie in einem Sekundärprozess entladen werden können.6 Der Prozessablauf für wiederaufladbare Batterien ist in Abbildung 4.5 dargestellt. Nach der Herstellung können wiederaufladbare Batterien vom Verbraucher weiter verwendet werden und immer wieder bis zum Ende ihrer Nutzungsdauer. Wenn Batteriematerialien nach der Entsorgung recycelt werden, können die zurückgewonnenen Metalle bei der Herstellung neuer Batterien verwendet oder für eine andere Anwendung verwendet werden. Sekundärbatterien sind daher im Vergleich zu Primärbatterien auf lange Sicht umweltfreundlicher und kostengünstiger. Beispiele für Sekundärbatterien sind Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH), Blei-Säure-Batterien, Li-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien.

Der NiMH-Akku ist ein wiederaufladbarer Akku, der eine wasserstoffabsorbierende Legierung als negative Elektrode und Nickeloxid (NiO) als positive Elektrode verwendet. Aufgrund ihrer relativ geringen Kosten, ihrer guten Energiespeicherkapazität und des Fehlens giftiger Stoffe wie Cadmium (Cd) werden sie häufig in tragbaren Elektronikgeräten wie Digitalkameras, schnurlosen Telefonen und Handheld-Spielgeräten verwendet. Sie leiden jedoch unter Selbstentladung und sind weniger tolerant gegenüber Überladung.

Blei-Säure-Batterien sind die ältesten und am häufigsten verwendeten wiederaufladbaren Batterien. Sie bestehen aus einer negativen Elektrode aus Blei (Pb) und einer positiven Elektrode aus Bleioxid (PbO), die in einen Elektrolyten aus Schwefelsäure (H2SO4) getaucht sind. Blei-Säure-Batterien sind für ihre Zuverlässigkeit und Robustheit bekannt und eignen sich daher für Anwendungen wie Automobil-Starterbatterien, Notstromsysteme und die Speicherung erneuerbarer Energien. Obwohl Blei-Säure-Batterien im Vergleich zu neueren Batterietechnologien eine relativ geringere Energiedichte aufweisen, bleiben sie aufgrund ihrer relativ geringen Kosten und der Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern, weiterhin beliebt.

Li-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die Li-Verbindungen als aktives Material sowohl in der positiven als auch in der negativen Elektrode verwenden. Li-Ionen-Batterien bieten eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung bei leichtem Design. Sie haben im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterien eine längere Lebensdauer und eine höhere Leistungsdichte. Li-Ionen-Batterien sind zur Standardwahl für eine Vielzahl von Anwendungen geworden, darunter Elektrofahrzeuge (EVs), mobile Geräte und Speichersysteme für erneuerbare Energien.

Festkörperbatterien haben aufgrund ihrer potenziellen Sicherheit, höheren Energiedichte, schnelleren Ladefähigkeit, breiteren Betriebstemperaturbereichen und Vorteilen bei der Zyklenlebensdauer große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie verwenden einen festen Elektrolyten anstelle der Flüssigkeit oder des Gels, die in anderen herkömmlichen Batterien verwendet werden. Festkörperbatterien gelten als vielversprechende Batterietechnologie der nächsten Generation mit dem Potenzial, verschiedene Branchen, darunter Elektrofahrzeuge und Unterhaltungselektronik, zu revolutionieren, indem sie verbesserte Energiespeicherlösungen mit geringerer Umweltbelastung bereitstellen.

Tabelle 1: Übersicht über gängige kommerzielle Batteriesysteme zusammen mit Beispielen typischer Anwendungen, übernommen von Winter et al.7 und Smith et al.6

Typ

Bezeichnung

Anode/Negativ

Elektrolyt

Kathode/Positiv

Typische Anwendungen

PRIMÄR

Zink−Kohlenstoff (Leclanché)

Wässriges NH4Cl oder ZnCl2

MnO2, C

Wird in einer Vielzahl kleiner tragbarer elektronischer Geräte verwendet. kostengünstige, bescheidene Entladungsleistung; 1,5 V Zellpotential

Zink−Kohlenstoff (Zinkchlorid)

Wässriges ZnCl2

MnO2

Wird in kleinen tragbaren elektronischen Geräten mit 1,5-V-Zellenpotential verwendet

Alkalisches Mangan

Wässriges KOH

MnO2, C

Mehr Energie und Leistung, aber auch teurer; 1,5 V Zellpotential

Quecksilber

Wässriges NaOH oder KOH

HgO, C

Früher in Hörgeräten, Kameras und Taschenrechnern verwendet, wegen Hg-Toxizität eingestellt; 1,35 V Zellpotential

Lithiummetall

Li-Salz in organischem Lösungsmittel

MnOp, C

Erhältlich in verschiedenen Systemen mit verschiedenen Kathoden mit Spannungen zwischen 1,5 und ~ 3,6 V

Lithium-Mangandioxid

LiCF3SO3 oder LiClO4 in organischem Lösungsmittel

MnO2

Betriebsspannung von 3 V mit hoher spezifischer Energie und stabiler Entladekurve

Lithium-Kohlenstoffmonofluorid

LiCF3SO3 oder LiClO4 in organischem Lösungsmittel

CFx

Wird häufig in Kameras und kleineren Geräten verwendet und liefert ca. 3,2 Volt pro Zelle

Lithium-Eisensulfid

LiCF3SO3 und/oder LiClO4 in organischem Lösungsmittel

FeS2

Liefern etwa 1,5 V Zellspannung und arbeiten auch bei extremen Temperaturen von - 40 °C bis + 60 °C

Lithium-Jod

LiI in organischem Lösungsmittel

Wird häufig in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern und implantierbaren medizinischen Geräten verwendet. Etwa 2,7 V Zellpotential

Lithium-Silber-Vanadiumoxid

LiAsF in organischem Lösungsmittel

Ag2V4O11

Wird typischerweise in medizinischen Geräten, Elektronik und militärischer Ausrüstung mit einem Zellenpotential von etwa 3 V verwendet

Lithium-Schwefeldioxid

SO2−LiBr in organischem Lösungsmittel

SO2 (C)

Wird in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Energiedichte erfordern, wie z. B. Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen

Lithium-Thionylchlorid

SOCl2−LiAlCl4

SOCl2 (C)

Wird in Anwendungen verwendet, die eine langfristige Energiespeicherung erfordern, wie z. B. Verbrauchszähler, Fernüberwachung und Sicherheitssysteme

Lithium−Eisensulfid (thermisch)

Geschmolzene Salzmischung LiCl−LiBr−LiF

FeS2

Wird in Hochtemperaturanwendungen verwendet, beispielsweise in Wärmebatterien für Militär- und Luft- und Raumfahrtsysteme. 1,8 bis 2,2 V Zellpotential

Magnesium-Silberchlorid

Meerwasser

AgCl

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Haltbarkeit werden sie in Militär- und Luft- und Raumfahrtsystemen eingesetzt. ca. 1,6 V Zellpotential

Zink−Luft

Wässriges KOH

Luft, C

Wichtigster Nischenmarkt für Hörgeräte; gute Zellleistung mit nominell 1,4 V, aber hoher Selbstentladungsrate

Zink−Silberoxid

Wässriges KOH

Ag2O, C

Typische Anwendung in Uhren oder Taschenrechnern mit guter Entladungsleistung. Aufgrund des Ag-Gehalts teuer. Nominelles Zellpotential 1,55 V

SEKUNDÄR

Nickel-Cadmium

Wässriges KOH

NiO(OH)

Erhebliche Marktpräsenz bei tragbaren Geräten, hat eine hohe Lebensdauer, leidet aber unter dem Memory-Effekt. Nominelles Zellpotential 1,2 V; CD ist giftig

Nickelmetallhydrid

Intermetallische Verbindung AB5 oder AB2

Wässriges KOH

NiO(OH)

Ersatz für herkömmliche NiCd-Zellen mit Verbesserung sowohl der elektrochemischen als auch der Umweltleistung. Nominelles Zellpotential 1,2 V

Bleisäure

Wässriges H2SO4

PbO2

Wird im Allgemeinen in Automobilanwendungen, als Traktionsbatterie oder als Reservestromquelle verwendet. Es weist eine hohe Toxizität auf, lässt sich aber leicht recyceln. Nominelle 2 V Zellenspannung

Lithium-Ion

C, Lix

Li-Salz in organischem Lösungsmittel

Li(1−x)MnOp

Hochleistungszelle, die häufig in tragbaren elektronischen Geräten mit geringer Umweltbelastung eingesetzt wird. Nominelles Zellpotential 3,6 V

Lithiumschwefel

Li-Salz in organischem Lösungsmittel

Verfügt über ein Spannungsfenster von 1,5 V bis 3 V. Verwendet kostengünstige und reichlich vorhandene Materialien und verspricht hohe Energiedichten (> 600 Wh/kg), die die von Li-Ionen-Batterien übertreffen

Li-Poly

C, Lix

Li-Salz in Polymergel

Li(1−x)MnOp

Vorgeschlagen als Ersatz für Li-Ion. Günstiger und sicherer bei vergleichbarer Leistung und nominaler Zellspannung von 3,7 V

Natriumion

C, Nax

Na-Salz in organischen oder wässrigen Lösungsmitteln

Na(1−x)MnOp

Geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-basierten Batterien aufgrund des hohen Natriumgehalts

Nickel-Wasserstoff

H2 (Pt)

KOH

NiOOH

Nickel-Wasserstoff-Batterien werden häufig in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Satelliten und Raumsonden eingesetzt. Etwa 1,2 Volt Zellpotential

Fester Zustand

Ionenleitendes Polymer, Metalloxide, Perowskit, NASICON, LISICON

Li(1−x)MnOp

Bieten erhöhte Sicherheit, geringeres Nettogewicht und -volumen der Batterie, höhere Energieabgabe und einfacheren Ionentransfer. Geeignet für Anwendungen sowohl im mobilen als auch im kleinen Bereich, einschließlich Transport, Luft- und Raumfahrt, Militär und medizinischer Instrumentierung.

Flow-Batterie

Separater Elektrolyt mit redoxaktiven Spezies für positive und negative Elektrode

Sie können eine außergewöhnliche Lebensdauer von bis zu 100.000 Zyklen beibehalten, was ihre Anwendbarkeit in Massenenergiespeichersystemen untermauert. Das Zellpotential liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 2 V

Bei einem Batterieseparator handelt es sich in der Regel um eine poröse Membran, die zwischen der negativen und der positiven Elektrode platziert wird, um die Elektroden voneinander fernzuhalten und so elektrische Kurzschlüsse zu verhindern.8 Sie sollten sehr gute elektronische Isolatoren sein und gleichzeitig den schnellen Transport von Ionen ermöglichen, die zur Vervollständigung erforderlich sind den Stromkreis während des Entladens und/oder Ladens der Batterie. Der Ionentransport kann durch inhärente Ionenleitfähigkeit oder durch Imprägnierung des Separators mit Elektrolyt erreicht werden. Mit der Weiterentwicklung der Batterien ist die Funktion von Separatoren komplexer und anspruchsvoller geworden. Bei der Auswahl eines Separators müssen die Eigenschaften jedes verfügbaren Separators anhand der Anforderungen des Batteriesystems bewertet werden. Zu den wichtigsten Überlegungen, die die Auswahl des Separators beeinflussen, gehören die folgenden, da sie erfüllt sein/eingehalten werden müssen: 8

In vielen Anwendungen muss im Allgemeinen ein Kompromiss bei den Anforderungen an den Separator eingegangen werden, um Leistung, Sicherheit, Kosten usw. zu optimieren. Wenn beispielsweise Batterien mit geringem Innenwiderstand gewünscht werden, erfordern sie möglicherweise Separatoren, die hochporös und dünn sind Die Notwendigkeit einer ausreichenden körperlichen Stärke erfordert möglicherweise, dass sie dick sind. Separatoren in versiegelten Nickel-Cadmium- (NiCd) und NiMH-Batterien erfordern eine hohe Gasdurchlässigkeit zum Schutz vor Überladung. Li-Ionen-Zellseparatoren sollten zur Erhöhung der Sicherheit über einen Abschaltmechanismus verfügen. Separatoren für Alkalibatterien müssen flexibel genug sein, um sich um die Elektroden wickeln zu können. 8

Alexander Volta definierte den Elektrolyten erstmals im Jahr 1800.9 Es handelt sich um eine elektronenisolierende und ionenleitende Schicht, entweder flüssig oder fest, die zwischen der negativen und der positiven Elektrode liegt. Unter Elektrolyten versteht man oft Flüssigkeiten wie Wasser oder andere Lösungsmittel, in denen Salze, Säuren oder Laugen gelöst sind. Allerdings enthalten viele Batterien, darunter auch die herkömmlichen (AA/AAA/D), Festelektrolyte, die bei Raumtemperatur als Ionenleiter wirken. Obwohl die spezifischen Eigenschaften von Elektrolyten je nach Batterietyp variieren können, bleibt ihre grundlegende Rolle dieselbe.

Die Elektrolytchemie spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Zellsicherheit, der Zyklenlebensdauer und der Leistungsfähigkeit. In wässrigen Batterien wie Blei-Säure- und NiMH-Batterien ist der Elektrolyt typischerweise eine Lösung auf Wasserbasis, die verschiedene Salze oder Säuren enthält. Wässrige Elektrolyte bieten eine gute Ionenleitfähigkeit und sind im Allgemeinen kostengünstig und werden sogar für Li-Ionen-Zellen entwickelt, vor allem aus Sicherheits- und Umweltgründen.10 Sie weisen jedoch ein enges elektrochemisches Stabilitätsfenster auf, das durch die Wasserelektrolyse begrenzt wird.11

Im Jahr 2015 wurde das Konzept der „Wasser-in-Salz“-Elektrolyte (WiSE) vorgeschlagen, die im Gegensatz zu typischen „Salz-in-Wasser“-Elektrolyten ein erweitertes elektrochemisches Stabilitätsfenster von 3,0 V aufweisen.10 Derzeit ist der Stand von Der modernste Elektrolyt für Li-Ionen-Batterieanwendungen sind Li-Salze, z. B. Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), gelöst in nichtwässrigen Carbonatlösungsmitteln auf organischer Basis, z. B. Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC).12 Trotz seiner allgegenwärtigen Verwendung In Elektrofahrzeuganwendungen schränken diese organischen Elektrolyte die Zellsicherheit aufgrund ihrer Brennbarkeit und des begrenzten Zellbetriebstemperaturbereichs von -10 °C bis 60 °C in den optimistischsten Szenarien ein.12

Durch die Hybridisierung von wässrigen mit nichtwässrigen Lösungsmitteln wurde kürzlich eine neue Klasse von Elektrolyten entwickelt, die die nichtentflammbaren und nichttoxischen Eigenschaften von wässrigen und eine bessere elektrochemische Stabilität von nichtwässrigen Systemen übernimmt.13 Es gibt jedoch einen starken Vorstoß Aus der Automobilindustrie gibt es Überlegungen, organische oder anorganische Festkörperelektrolyte für Festkörperbatterien zu verwenden. Bei diesen Elektrolyten kann es sich um Materialien auf Keramik- oder Polymerbasis mit hoher Ionenleitfähigkeit handeln. Sie ermöglichen den Einsatz metallischer Lithiumanoden, wodurch die Energiedichte der Batterie erhöht werden kann. Der Hauptvorteil von Festkörperbatterien ist ihre erhöhte Sicherheit, die auf das Fehlen der brennbaren flüssigen Elektrolyte zurückzuführen ist, die typischerweise in Li-Ionen-Zellen verwendet werden.14 Anorganische Festkörperelektrolyte könnten auch den Batteriebetrieb bei niedrigen und hohen Temperaturen unterstützen (z. B. - 50 bis 200 °C oder höher), in denen herkömmliche flüssige Elektrolyte gefrieren, kochen oder sich zersetzen würden.14

Die Anode ist die negative Elektrode der Batterie, die an oxidativen chemischen Reaktionen beteiligt ist, die Elektronen in den externen Stromkreis freisetzen.6 Li-Ionen-Batterien verwenden üblicherweise Graphit, eine Form von Kohlenstoff (C), als Anodenmaterial. Graphit hat eine schichtartige Struktur, wodurch Lithium-Ionen beim Laden in die Schichten eingebracht und beim Entladen extrahiert werden können. Allerdings führt die Art der chemischen Wechselwirkung mit Lithium zu einer geringen Energiedichte.

Silizium ist aufgrund seiner höheren theoretischen Kapazität für Lithiumionen eine Alternative zu Graphit. Allerdings erfährt Silizium beim Laden bzw. Entladen eine erhebliche Volumenausdehnung und -kontraktion, was zu mechanischer Belastung und einer Verschlechterung der Elektrode und einem Batterieausfall führt.

Es ist möglich, Lithiummetall direkt als Anodenmaterial zu verwenden. Lithiummetallanoden haben die höchste theoretische Kapazität und Energiedichte, da sie das Material mit der höchsten Lithiumdichte sind. Die Verwendung von metallischen Lithiumanoden bringt jedoch Herausforderungen mit sich, wie z. B. die Bildung von Dendriten, die zu Kurzschlüssen, Sicherheitsbedenken und einer verkürzten Zyklenlebensdauer führen können.

Blei-Säure-Batterien verfügen über eine Pb-basierte Anode, die typischerweise aus PbO2 auf einem Pb-Substrat besteht. NiMH-Akkus verwenden als Anodenmaterial eine wasserstoffabsorbierende Legierung, beispielsweise eine Mischung aus Nickel (Ni) und Metallhydrid. Die Anode nimmt beim Laden Wasserstoffionen auf und gibt sie beim Entladen ab.

Die Kathode ist die positive Elektrode einer Zelle, die mit reduktiven chemischen Reaktionen verbunden ist.6 Li-Ionen-Batterien verwenden verschiedene Kathodenmaterialien, darunter Lithiumkobaltoxid (LCO), Lithiumeisenphosphat (LFP) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC). Diese Kathodenmaterialien können während Lade- und Entladezyklen reversibel Lithiumionen in ihre Kristallstruktur aufnehmen und aus dieser ausstoßen.

NiMH-Batterien bestehen typischerweise aus einem Kathodenmaterial aus Nickeloxyhydroxid (NiOOH). Die Kathode nimmt beim Laden Hydroxidionen auf und gibt sie beim Entladen ab. Lithium-Luft-Batterien verwenden eine poröse Kathode auf Kohlenstoffbasis, die mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft interagiert und so die reversible elektrochemische Reaktion zwischen Lithiumionen und Sauerstoff während des Ladens und Entladens ermöglicht. Die Reaktion an der Kathode ist elektrokatalytischer Natur und erfordert einen Elektrokatalysator.

Stromkollektoren sind typischerweise Metallfolien oder leitfähige Materialien, die den beim Batteriebetrieb erzeugten elektrischen Strom sammeln und verteilen. Sie stehen in direktem Kontakt mit ihren jeweiligen Elektroden und bestehen aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit meist aus Kupfer und Aluminium. Stromabnehmer fungieren manchmal als Anschlüsse für die externe Verbindung der einzelnen Zellen der Batterie und ermöglichen den Fluss von elektrischem Strom zur und von der Batterie.

Bevor wir uns mit der Herstellung von Batterien befassen, ist es wichtig zu beachten, dass die Batterieentwicklung in der Regel viel Zeit in Anspruch nimmt und den Fortschritt vom Labormaßstab über Prototypentests bis hin zur Montagelinie und Produktion erfordert. Der Prozess lässt sich kurz wie folgt umreißen:

Daher sind vor der Kommerzialisierung einer Batteriechemie erhebliche Anstrengungen erforderlich. Der Bau einer Produktionsanlage kann aufgrund von Herausforderungen wie den komplexen Wertschöpfungsketten, bei denen Dutzende von Lieferanten für die Beschaffung aller Materialien und Komponenten erforderlich sind, auch mehrere Jahre bis zur Inbetriebnahme dauern. Am wichtigsten ist, dass die endgültige kommerzielle Produktion und Herstellung der Batterie auch mehrere Schritte von den Rohstoffen bis zur Montage der Batteriezellen umfasst. Ein typischer Batterieherstellungsprozess ist in Abbildung 5 unten dargestellt.

Moderne Produktionsanlagen nutzen Präzisionsfertigung und hohe Automatisierung, um kostenwettbewerbsfähig zu sein.15 Strenge Tests sind in allen Phasen wichtig, um sicherzustellen, dass die endgültige Batterie alle erforderlichen Spezifikationen erfüllt. Diese Spezifikationen umfassen unter anderem Sicherheit, Lebensdauer, Kosten, Wiederverwendbarkeit und Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Im Folgenden werden einige Bereiche beschrieben, in denen Batterietests unerlässlich sind.

Verunreinigungen in Rohstoffen können die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer von Batterien beeinträchtigen. Analytische Tests von Rohstoffen helfen dabei, Verunreinigungen zu identifizieren und zu kontrollieren, um eine konsistente und qualitativ hochwertige Batterieproduktion sicherzustellen. Verunreinigungen in Elektrodenmaterialien können elektrochemische Reaktionen behindern, die Kapazität verringern und den Abbau beschleunigen. Das Testen von Elektrodenmaterialien trägt dazu bei, Reinheit und Konsistenz sicherzustellen, was zu einer optimalen Batterieleistung führt. Fast alle Komponenten der Batterie sind isoliert und einzeln getestet.

Hitze, die Entstehung brennbarer und/oder giftiger Gase sind die grundlegenden Faktoren, die zum Ausfall einer Batterie führen. Folglich kann die Sicherheit eines Batteriesystems verbessert werden, indem erstens Bedingungen vermieden werden, die zur Wärme- und Gasentwicklung führen, und zweitens, falls dies doch geschieht, die erzeugte Wärme und Gas so gesteuert werden, dass ein Batterieausfall vermieden wird. Um einen Zellbruch zu vermeiden, sind in modernen Batterien Sicherheitsentlüftungen und Stromunterbrechungsvorrichtungen eingebaut, die sich bei Druckanstieg in der Zelle öffnen und das Entweichen der Gase ermöglichen. Auch Abschaltseparatoren und intelligente Batteriemanagementsysteme kommen zum Einsatz. Alle diese Funktionen werden auf ihre Zuverlässigkeit getestet, bevor sie in die Produktionslinie eingeführt werden. Auch an den Batteriekomponenten wie Kathode, Anode oder Elektrolyt können erhebliche Modifikationen vorgenommen werden, um sie inhärent sicher zu machen.

Die Ausfallrate von Li-Ionen-Batterien wird auf 1 zu 40 Millionen geschätzt, wenn sie innerhalb der vom Hersteller empfohlenen Grenzen gelagert und betrieben werden.16 Unvorhersehbare Umstände wie Überladung, äußere Erwärmung und mechanischer Missbrauch können diese Ausfallwahrscheinlichkeit jedoch erheblich erhöhen. Es gab zahlreiche Aufsehen erregende Unfälle mit Batterieausfällen, von denen viele erhebliche negative Auswirkungen für die Zellhersteller sowie für Unternehmen hatten, die die spezifische Batterietechnologie in ihren Produkten verwenden. Daher werden strenge Tests von Batteriematerialien, Komponenten und zugehörigen Hilfssystemen unter rauen Bedingungen durchgeführt, um das „Worst-Case-Szenario“ zu testen, auch wenn die Batterie bei normalem Gebrauch möglicherweise nie solchen Bedingungen ausgesetzt ist.

Das thermische Durchgehen ist ein erhebliches Problem im Zusammenhang mit Batterien, insbesondere Li-Ionen-Batterien. Dabei handelt es sich um eine Situation, in der eine Batterie aufgrund elektrochemischer Reaktionen während des Ladens und/oder Entladens einen selbsterhaltenden und unkontrollierbaren Temperaturanstieg erfährt. Wenn die Wärme nicht effektiv abgeleitet wird, beschleunigt sie weitere Reaktionen, die die Batterietemperatur erhöhen, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife entsteht. Ein thermisches Durchgehen kann möglicherweise zu einem Batterieausfall, einem Brand oder sogar einer Explosion führen.

Moderne Batterien enthalten viel Energie. Beispielsweise entspricht eine 55-Ah-Batterie der Energie einer Handgranate (150 g TNT).17 Batteriezellen oder -pakete werden daher verpackt, häufig mit Sicherheitsfunktionen wie Schutzschaltungen und Wärmemanagementsystemen. Jedes dieser Systeme muss auf genaue Funktionalität getestet werden. Qualitätskontrollmaßnahmen, darunter Sichtprüfungen, elektrische Tests und Umwelttests, werden implementiert, um sicherzustellen, dass Batterien einen unerwarteten Temperaturanstieg kontrollieren können und die von den verschiedenen Regulierungsbehörden festgelegten Spezifikationen und Sicherheitsstandards erfüllen.

Nach der Batterieherstellung sind fortlaufende Überwachung und Tests unerlässlich, um die langfristige Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu bewerten. Materialtests sind wichtig, um potenzielle Abbaumechanismen zu identifizieren, wie z. B. die Zersetzung des Elektrodenmaterials oder den Zusammenbruch des Elektrolyten. Durch die Überwachung dieser Materialien können Hersteller Verbesserungen in der Zusammensetzung oder im Design erkennen, um die Lebensdauer und Stabilität der Batterie zu verbessern. Moderne Batteriemanagementsysteme verfügen über ein breites Funktionsspektrum, darunter die Schätzung des Ladezustands, der Entladetiefe, des Gesundheitszustands und des Funktionszustands. Diese schützen zusammen den Akku vor Überhitzung und sind nützlich für die Datenberichterstattung. Tatsächlich meldet jede produzierte Batterie weiterhin wichtige Daten an den Hersteller, um die Optimierung der Prozesse sicherzustellen und Schlüsselkomponenten zu identifizieren, die eine Verschlechterung der Batterie verursachen.

Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Batteriehersteller die Kosten senken. Durch das Testen und Verstehen von Materialeigenschaften können Hersteller Batteriedesigns optimieren, die Abhängigkeit von teuren oder knappen Materialien verringern und kostengünstigere Produktionsprozesse entwickeln. Hersteller können auch Wege finden, elektrochemische Reaktionen zu verbessern, die Energiespeicherkapazität zu verbessern und die Zykluslebensdauer zu verlängern. Tests während der Herstellung sind von entscheidender Bedeutung für die Einhaltung gesetzlicher Standards und Zertifizierungen in Bezug auf Sicherheit, Umweltauswirkungen und Leistungsanforderungen, um das Risiko von Bußgeldern oder Unfällen zu vermeiden.

Analytische Tests sind ein wesentlicher Bestandteil der Batterieindustrie, um die Qualität, Leistung und Sicherheit von Batteriekomponenten und -produkten sicherzustellen. Durch den Einsatz verschiedener Techniken und die Analyse verschiedener Komponenten können Hersteller die Batterieleistung optimieren, potenzielle Probleme identifizieren und den steigenden Anforderungen an zuverlässige und effiziente Energiespeichersysteme gerecht werden. Diese Tests werden in verschiedenen Phasen durchgeführt, einschließlich der Entwicklung, Produktion und Überwachung nach der Produktion, wobei eine Reihe von Analysetechniken zum Einsatz kommen. Hersteller bewerten typischerweise die Zusammensetzung, Eigenschaften und das Verhalten von Rohstoffen, Batterieschlämmen, Elektroden, Elektrolyten und anderen Komponenten. Im Folgenden wird ein Überblick über die wichtigsten Aspekte analytischer Tests gegeben. Diese Übersicht basiert auf Li-Ionen-Batterien als einem der heute gebräuchlichsten Batterietypen, bezieht sich jedoch nicht ausschließlich auf Li-Ionen-Batterien.

Rohstoffe sind der Ausgangspunkt des Batterieherstellungsprozesses und damit der Ausgangspunkt analytischer Tests. Zu den wichtigsten interessierenden Eigenschaften gehören die chemische Zusammensetzung, die Reinheit und die physikalischen Eigenschaften der Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Blei, Graphit und verschiedener Zusatzstoffe. Spektroskopietechniken wie Röntgenfluoreszenz und Atomabsorption, Chromatographie und Elementaranalyse helfen dabei, Verunreinigungen zu identifizieren, die Materialqualität sicherzustellen und ihre Eignung für Batterieanwendungen zu beurteilen.18 Die meisten Metalle werden aus ihrem jeweiligen Erz gewonnen und erfordern während des Prozesses ebenfalls eine gründliche Analyse Reinigung. Dies gilt jedoch nicht als Teil des Batterieherstellungsprozesses.

Die meisten Batterieelektroden bestehen aus elektroaktiven Materialien, mit denen der Stromkollektor beschichtet ist. Um dieses Aktivmaterial zu beschichten, werden die Pulver durch Mischen mit geeigneten Lösungsmitteln in Aufschlämmungen umgewandelt. Batterieschlämme bestehen typischerweise aus aktiven Materialien, Bindemitteln, leitfähigen Zusätzen und Lösungsmitteln. Die Schlämme werden hinsichtlich ihrer Viskosität, ihres Feststoffgehalts, ihrer Partikelgrößenverteilung und ihrer chemischen Zusammensetzung bewertet. Techniken wie die Rheologiemessung helfen Analysten, die Eigenschaften von Schlämmen zu verstehen, um eine ordnungsgemäße Elektrodenbeschichtung sicherzustellen und eine energieeffiziente Trocknung der Elektroden zu ermöglichen, um die Batterieleistung zu optimieren und Kosten zu senken.19

Die Elektroden sind das Herzstück der Batterie, in dem alle elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Das Testen der Elektroden vor dem Zusammenbau der Batterie liefert Einblicke in ihre Zusammensetzung, Morphologie und elektrochemische Leistung. Techniken wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgenbeugung (XRD) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) werden häufig verwendet. Diese Methoden helfen dabei, die Integrität von Elektrodenstrukturen zu beurteilen, etwaige Defekte oder Verunreinigungen zu identifizieren und die Wirksamkeit aktiver Materialien zu bewerten. Moderne elektrochemische Prüftechniken wie die elektrochemische Rastermikroskopie20,21 und die elektrochemische Rasterzellmikroskopie22,23 ermöglichen auch die Analyse einzelner Elektroden und Elektrodenmaterialien im Nanomaßstab für ein besseres Verständnis der allgemeinen elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode.

Der Elektrolyt ist ein wichtiger Bestandteil von Batterien und seine Analyse umfasst die Untersuchung seiner Stabilität und Ionenleitfähigkeit. Diese Eigenschaften hängen im Allgemeinen von der chemischen Zusammensetzung ab, die ebenfalls analysiert wird. Techniken wie Chromatographie, Massenspektrometrie (MS) und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) helfen dabei, die Bestandteile des Elektrolyten zu analysieren, Verunreinigungen zu erkennen und die richtige Ionenmobilität sicherzustellen. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine weitere Technik zur Beurteilung der Leistung von Elektrolyten im Hinblick auf Widerstand und Ionendiffusion.

Zu den analytischen Tests gehört auch die Bewertung von Batterieleistungsparametern wie Kapazität, Energiedichte, Zyklenlebensdauer und Sicherheitseigenschaften. Üblicherweise werden Techniken wie zyklische Voltammetrie, galvanostatische Lade-Entlade-Prüfung, dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und thermische Stabilitätsanalyse eingesetzt. Diese Tests bewerten die Fähigkeit der Batterie, Energie effizient zu speichern und zu liefern, überwachen ihre Verschlechterung im Laufe der Zeit und stellen die Einhaltung von Sicherheitsstandards sicher.24

Nach der Batterieproduktion sind fortlaufende analytische Tests für die Überwachung und Qualitätskontrolle nach der Produktion unerlässlich. Dazu gehört die regelmäßige Probenahme und Prüfung von Batteriechargen, um die Konsistenz und Einhaltung der Spezifikationen zu überprüfen. Zu den in dieser Phase verwendeten Techniken können die gleichen Methoden wie zuvor erwähnt gehören, wobei der Schwerpunkt auf Leistungsüberprüfung, Sicherheitsbewertung und Chargenkonsistenz liegt.

Die steigende Nachfrage nach Energiespeichern in verschiedenen Sektoren, darunter Elektrofahrzeuge und Systeme für erneuerbare Energien, macht die Batterieentwicklung zu einem vielversprechenden Technologiefeld.25 Automobilhersteller sind bestrebt, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, Ladezeiten zu verkürzen und die Gesamtleistung des Fahrzeugs zu verbessern. Die Batterietechnologie wird sich weiterentwickeln, mit dem Ziel höherer Energiedichten, längerer Zyklenlebensdauer, schnellerer Ladefähigkeit, verbessertem Wärmemanagement und besserer Sicherheit. Forscher werden weiterhin neuartige Elektrodenmaterialien erforschen, etwa Anoden auf Siliziumbasis, Festkörperelektrolyte und fortschrittliche Kathodenchemie (z. B. nickelreiche Formulierungen), um die Gesamtleistung zu verbessern.

Da der Schwerpunkt zunehmend auf der Entwicklung umweltfreundlicher und nachhaltiger Batterien liegt, wird erwartet, dass die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Kobalt und Nickel, die häufig mit sozialen und ökologischen Bedenken verbunden sind, verringert wird. Alternative Chemien, die häufiger vorkommende und umweltfreundlichere Materialien wie Natrium-Ionen-, Zink-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien verwenden, könnten populär werden.

Sicherheitsbedenken, die derzeit mit Li-Ionen-Batterien verbunden sind, treiben weiterhin die Entwicklung von Festkörperbatterien voran, die Vorteile wie eine höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit und größere Betriebstemperaturbereiche bieten.26 Während sich Festkörperbatterien noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden, verfügen sie über die folgenden Vorteile: Potenzial, Energiespeicheranwendungen, insbesondere in Elektrofahrzeugen, zu revolutionieren. Die Batterieindustrie wird bei der Erfüllung dieser Anforderungen durch kontinuierliche Innovation und den Ausbau der Produktionskapazitäten eine entscheidende Rolle spielen. Zur Stabilisierung der Stromnetze, zur Bewältigung der Spitzennachfrage und zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie aus Quellen wie Solar- und Windkraft werden netzgroße Energiespeichersysteme mit großen Batterien erforderlich sein.

Die Batterieindustrie muss kostengünstige und effiziente Lösungen entwickeln, um den wachsenden Anforderungen der Energiespeicherung im Netzmaßstab gerecht zu werden. Da die Menge der verwendeten Batterien zunimmt, wird insbesondere die Bedeutung des Batterierecyclings und der Second-Life-Anwendungen betont. Der Aufbau einer robusten Recyclinginfrastruktur und -prozesse wird von entscheidender Bedeutung sein, um wertvolle Materialien zurückzugewinnen und die Umweltbelastung zu minimieren. Beispielsweise können ausgediente Elektrofahrzeugbatterien entweder recycelt oder für die stationäre Energiespeicherung wiederverwendet werden, wodurch ihre Nutzungsdauer verlängert und Abfall reduziert wird. Wie in vielen Branchen wird auch die zukünftige Batterieforschung und -herstellung wahrscheinlich eine erhebliche Digitalisierung erfahren15 und von Computerunterstützung wie maschinellem Lernen27 und künstlicher Intelligenz28 profitieren

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