Vergleich von Bindersystemen für wässrig prozessierte Elektroden
Positive Elektroden wässrig zu prozessieren ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Batteriezellproduktion. Wasser und ein kompatibler, fluorfreier Binder ersetzen dabei umweltschädliche Materialien wie das organische Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und den fluorhaltigen Binder Polyvinylidendifluorid (PVDF). Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun den Einfluss vier verschiedener potenzieller Binder auf die physikalischen Eigenschaften und die elektrochemische Leistung von wässrig prozessierten Lithium-Eisenphosphat-basierten Elektroden (LFP) verglichen.
Kombination aus drei Bindern mit vielversprechenden Ergebnissen
Konkret analysierten die Wissenschaftler die Binder Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Xanthangummi (XG) und Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) sowie deren Kombination. „Unsere Resultate zeigen, dass eine Kombination aus CMC, PEDOT:PSS und SBR mit einem Anteil von jeweils einem Gewichtsprozent am vielversprechendsten ist“, fasst MEET Wissenschaftler Chirag Vankani zusammen. In diesem Bindemittelsystem verbessert CMC die Partikelverteilung und passt die Porenstruktur der Elektrode an. PEDOT:PSS erhöht die elektronische Leitfähigkeit und steigert die Kinetik des Ladungstransfers an der Grenzfläche. SBR wiederum stärkt die Haftung und mechanische Flexibilität der Elektrode. „Im Ergebnis entsteht eine wässrig prozessierte Elektrode mit ausbalancierten physikalischen Eigenschaften und elektrochemischer Leistung“, sagt Vankani. „Trotz seines eher geringen Anteils von in der Regel ein bis fünf Gewichtsprozent der Verbundelektrode hat das Bindemittelsystem einen entscheidenden Einfluss auf diese Faktoren.“
Darüber hinaus untersuchte das Forschungsteam die Langzeit-Zyklenstabilität der Binder über 1.000 Zyklen. Im Unterschied zu vorherigen Studien verwendeten die Wissenschaftler eine funktionsfähige Vollzelle auf Basis von LFP und Grafit mit praktisch relevanten Beladungen. In früheren Untersuchungen wurden im Gegensatz dazu vorwiegend nicht praxistaugliche Halbzellen (LFP||Li) über weniger Zyklen analysiert, die durch dendritisches Lithiumwachstum eingeschränkt waren.
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Chirag Vankani, Atif Javed und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy and Sustainability Research” veröffentlicht.