Abschlussbericht HiBRAIN BASF SE

Abstract

Zur modellgestützten Entwicklung von Kathodenmaterialien wird bislang das Doyle-Fuller-Newman-Modell verwendet, um die Transport- und Reaktionsvorgänge in Lithiumbatterien quantitativ zu beschreiben. Die Degradation des Kathodenmaterials bei der Herstellung (Kalandierung) und im Betrieb (Laden / Entladen) werden lediglich durch eine Veränderung von Modellparametern beschrieben, ohne zwischen den Einflüssen verschiedener Degradationsprozesse zu unterscheiden. In aktuellen NMC-Materialien stellt die fortschreitende Rißbildung in den Partikeln einen wesentlichen Degradationsmechanismus dar. Ein weiterer wichtiger Mechanismus ist die Bildung von Sperrschichten auf den Oberflächen der Kathodenpartikel – die chemische Degradation. Unser Ansatz im HiBrain-Projekt zielte darauf ab, die Einflüsse dieser beiden Mechanismen getrennt zu quantifizieren und so zu einer besseren Datenlage und gezielteren, rascheren Entwicklung degradationsarmer Kathodenmaterialien beizutragen. Die Arbeit setzt bei der Aufklärung der morphologischen Struktur der Kathodenpartikel an, die bei am Helmholtzzentrum Berlin in 3D-Aufnahmen gescannt wurde. Anschließend hat die Gruppe um Prof. Volker Schmidt an der Uni Ulm aus diesen Bilddaten geometrische Parameter abgeleitet, die bei BASF in ein um Risse erweitertes Doyle-Fuller-Newman-Modell eingehen. Somit kann der geometrische Einfluß der Risse unabhängig von elektrochemischen Versuchsdaten quantifiziert werden. Auf Basis von elektrochemischen Versuchsdaten an unterschiedlich gealterten Materialien kann dann der Einfluß der chemischen Degradation unabhängig von der morpholischen Degradation bestimmt werden. Der beschriebene Arbeitsablauf wurde gemeinsam mit den genannten Partnern entwickelt und erprobt. Damit konnten wir zeigen, daß der Einfluß der Risse und der Einfluß der chemischen Oberflächendgradation voneinander unterschieden werden kann. Die Methode wird bei BASF an ausgewählten Materialien angewendet. Da die Grundlagen der Methode veröffentlicht worden sind, sind auch andere Akteure in der Lage, analoge Vorgehensweisen zu entwickeln.