RateBatt

German version below

In the course of the upcoming energy and transport turnaround, the industrial development and production of batteries, especially in the automotive sector, is pursuing the goal of sustainably increasing specific energy and power density, while simultaneously reducing product and production costs, and increasing the safety of battery materials and cell systems. Alternatives to fossil fuels are also being sought in the aviation sector. In addition to increasing energy density, fast-charging capability is a key challenge, especially for new cell chemistries and battery types.

To achieve these goals, it is necessary to explore new more sustainable electrode active materials, as well as solid-state cell systems. New active materials, such as silicon as an alternative anode material or sulfur as an alternative cathode material, can provide higher energy densities than most currently used electrode materials in industry. These active materials also have the advantage of being found in large quantities on Earth, making them more accessible, less expensive, and more environmentally friendly.

The RateBatt project is funded within the framework of the European Regional Development Fund (ERDF). In this project, the existing analytical infrastructure of the Battery Lab Factory Braunschweig (BLB) is being expanded, in order to specifically investigate the fast-charging capability of these new battery types and to understand their aging mechanisms in a rate-dependent manner. The knowledge gained in this way will be linked back to the production process so that individual process steps can be adapted on a knowledge-driven basis, and the rate capability of the batteries can be improved.

The following issues will be addressed as part of the project:

• Battery cycling in 3-electrode configuration to investigate fast-charge capability. In a 3-electrode arrangement, the electrochemical potentials of the anode and cathode can be measured separately, and their influence on the fast-charging capability can thus be evaluated independently from one another. The electrodes are examined on a laboratory scale in specially procured measuring cells. Electrochemical impedance spectroscopy can also be used on part of the channels, to monitor the complex internal resistance of the battery, induced by aging during cycling, in an electrode-resolved manner, and thus better understand the processes caused by the selected fast-charge profiles.
• Ultrasonic scanning of batteries during cyclization. This allows changes in the density of the battery's components to be visualized, providing analytical access to, for example, density differences, changes in aggregate states and structural peculiarities of the sample. For battery research, this enables the determination of the wetting state of the electrodes with liquid electrolyte, the detection of gas formation and distribution, the observation of lithium plating and, thus, the monitoring of aging processes or state of health (SOH).
• Light Flash-Apparatur: In order to describe the thermal conduction in battery components, and thus the thermal management in battery cells, the light flash apparatus method is to be established. This is based on the high-frequency detection of the temperature rise in the sample body as a result of an energy pulse, and is used to measure the temperature and thermal conductivity of materials with a wide range of geometries and properties. Thus, solids, powders and suspensions can be investigated in a wide temperature range. This offers the possibility to determine the effective thermal conductivities of the suspensions in different drying states, and also to trace their change over the drying process. The characteristic values of thin multilayer systems, such as electrodes or electrode-separator composites, can also be reliably characterized using this method. Knowledge of the thermal or thermal diffusivity of the different cell materials is of great importance in terms of good thermal management during operation and for the simulation of thermal processes at the cell and material level. Thus, the material characteristics of lithiated materials can be determined from post-mortem analyses and fed back into simulations.

Im Zuge der anstehenden Energie- und Verkehrswende verfolgt die industrielle Entwicklung und Produktion von Batterien, insbesondere im Automobilbereich, das Ziel, die spezifische Energie- und Leistungsdichte nachhaltig zu steigern und gleichzeitig die Produkt- und Produktionskosten zu senken sowie die Sicherheit der Batteriematerialien und Zellsysteme zu erhöhen. Auch im Luftfahrtsektor werden Alternativen zu fossilen Brennstoffen gesucht. Neben der Steigerung der Energiedichte ist die Schnellladefähigkeit, insbesondere bei neuen Zellchemien und Batterietypen, eine zentrale Herausforderung.

Um diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, neue nachhaltigere Elektrodenaktivmaterialien sowie Festkörperzellsysteme zu erforschen. Neue aktive Materialien, wie z. B. Silizium als alternatives Anodenmaterial oder Schwefel als alternatives Kathodenmaterial, können höhere Energiedichten bieten als die meisten in der Industrie verwendeten Elektrodenmaterialien und haben zudem den Vorteil, dass sie in großen Mengen auf der Erde vorkommen und daher leichter zugänglich, kostengünstiger und umweltfreundlicher sind.

Im Rahmen der Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) wird das Projekt RateBatt gefördert. Darin wird die bestehende Analytik-Infrastruktur der BLB erweitert, um gezielt die Schnellladefähigkeit dieser neuen Batterietypen zu untersuchen und deren Alterungsmechanismen ratenabhängig zu verstehen. Die so gewonnenen Erkenntnisse fließen zurück in den Produktionsprozess, um so wissensgesteuert einzelne Prozessschritte anzupassen und die Ratenfähigkeit der Batterien zu verbessern.

Folgende Punkte werden im Rahmen des Projektes adressiert:

• Batteriezyklisierung in 3-Elektrodenkonfiguration zur Untersuchung der Schnellladefähigkeit. In einer 3-Elektrodenanrdnung können die elektrochemischen Potentiale von Anode und Kathode getrennt voneinander gemessen werden und so deren Einfluss auf die Schnellladefähigkeit unabhängig voneinander bewertet werden. In eigens dafür beschafften Messzellen werden die Elektroden im Labormaßstab untersucht. An einem Teil der Kanäle kann außerdem elektrochemische Impedanzspektroskopie verwendet werden, um den komplexen Innenwiderstand der Batterie während der zyklischen Alterung elektrodenaufgelöst zu überwachen und so durch die durch die gewählten Schnellladeprofile hervorgerufenen Prozesse besser zu verstehen.
• Ultraschall-Scanning von Batterien während der Zyklisierung. Hierdurch können Änderungen in der Dichte der Komponenten der Batterie sichtbar gemacht werden und ermöglicht so z.B. analytischen Zugang zu Dichteunterschieden, zu Änderungen in den Aggregatzuständen und zu strukturellen Eigenheiten der Probe. Für die Batterieforschung ermöglicht dies die Bestimmung des Benetzungszustandes der Elektroden mit Flüssigelektrolyt, den Nachweis der Gasbildung und ‑Verteilung, die Beobachtung von Lithiumplating und somit das Monitoring von Alterungsvorgängen bzw. des Gesundheitszustandes (SOH).
• Light Flash-Apparatur: Um die Wärmeleitung in Batteriekomponenten und somit das Wärmemanagement in Batteriezellen beschreiben zu können, soll die Light Flash-Apparatur-Methode etabliert werden. Diese basiert auf der hochfrequenten Detektion des Temperaturanstieges im Probenkörper in Folge eines Energieimpulses und dient zur Messung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit von Materialien mit den unterschiedlichsten Geometrien und Eigenschaften. So können sowohl Festkörper, Pulver und Suspensionen in einem breiten Temperaturbereich untersucht werden. Hier bietet sich die Möglichkeit die effektiven Wärmeleitfähigkeiten der Supensionen in verschiedenen Trocknungszuständen zu ermitteln und auch deren Änderung über den Trocknungsprozess nachzuvollziehen. Auch die Kennwerte von dünnen Mehrschichtsystemen wie Elektroden oder Elektroden-Separator-Verbünden können mit dieser Methode sicher charakterisiert werden. Die Kenntnis der Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit der unterschiedlichen Zellmaterialien ist in Bezug auf ein gutes Wärmemanagement im Betrieb sowie für die Simulation der thermischen Prozesse auf Zell- und Materialebene von großer Wichtigkeit. So können die Materialkennwerte von lithierten Materialien aus Post-Mortem-Analysen ermittelt und in Simulationen zurückgespielt werden.