Post-mortem analysis and electrochemical characterization of aged lithium-ion batteries

Kurzfassung

Elektromobilität ist eine Schlüsseltechnologie für einen nachhaltigen Verkehrssektor und wächst derzeit rasant, jedoch ist sie aber stark von günstigen und langlebigen Batterien abhängig. Um entsprechende neue Materialien zu finden, wurde eine 10 Ah Pouchzelle mit einer neuartigen Silizium-Graphit (SiC)-Verbundelektrode untersucht. Leider zeigte diese Zelle nach 300 Testzyklen eine hohe Alterung. Um die signifikanten Alterungseffekte dieser Zelle zu bestimmen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine post-mortem-Analyse durchgeführt. Für die Analyse wurde ein breites Spektrum an Untersuchungen genutzt. Die aufgeblähte Zelle wurden gemessen, fotografiert und zusätzlich wurden durch Computertomographie-Aufnahmen Einblicke in die geschlossene Zelle gegeben. Außerdem wurde die Zelle geöffnet und auseinandergebaut. Teile der Elektroden wurden präpariert, ausgestanzt und als Halb- und Vollzellen in Testzellen wieder zusammengesetzt. Das gleiche Verfahren wurde auch bei einer nicht gealterten Zelle durchgeführt, um beide zu Vergleichen. Die Testzellen auf verschiedenen Arten, wie Impedanzspektroskopie, Spannungsmessung sowie ersten (De-)Lithiierungen und C-Raten-Tests für die Halbzellen, untersucht. Zusätzlich wurden die Elektroden mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie Röntgenbeugungsanalyse (XRD) untersucht. Noch vor dem Öffnen der Zelle war eine deutlich aufgeblähte Zelle sichtbar und eine Volumenzunahme wurde gemessen. Darüber hinaus zeigten CT-Aufnahmen, dass auch der Elektrodenstapel aufgebläht war und eine Vergrößerung der Abstände zwischen den Elektrodenplatten sichtbar wurde. Die Zellöffnung selbst zeigte große, weiße und kugel-förmige Rückstände auf der Anodenoberfläche. Die REM- und XRD-Aufnahmen sowie Impedanzmessungen und C-Raten-Tests zeigten unerwartet keine Unterschiede zwischen der alten und der neuen Elektrode. Bei der ersten Lithiierung der Kathode wurde festgestellt, dass eine große Menge Lithium verloren gegangen ist und dass innerhalb der Vollzelle eine stark entladene Anode zu einem schnellen Spannungsabfall führte. In Kombination mit diesen Beobachtungen wird deutlich, dass das Lithium mit dem Fluorethylencarbonat (FEC) des Elektrolyten reagiert und Gas gebildet hat. Das Gas hat sowohl die Elektroden als auch die Pouchzelle aufgeblasen. Dies wiederum führte zu großen isolierten Bereichen von Aktivmaterial auf der Anode durch Kontaktverlust und Elektrolytverlust. Zusätzlich verbrauchte die Gasbildung Lithium, was zu einem Verlust an zyklisierbaren Lithium führte. Diese Effekte verminderten die Kapazität der Zelle stark. Daher empfiehlt diese Arbeit, keine hohen Mengen an FEC zusammen mit SiC-Anoden zu verwenden.