Optimierte Porosität steigert Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

Das Trockenbeschichtungsverfahren gilt als vielversprechender Ansatz, um Lithium-Ionen-Batterien nachhaltiger und kostengünstiger herzustellen, da es während der Elektrodenfertigung ohne organische Lösungsmittel auskommt. Während der Einfluss der Porosität, also der Anteil an Hohlräumen in Elektroden, bei nassprozessierten Elektroden bereits intensiv untersucht wurde, fehlten entsprechende Erkenntnisse für trockenprozessierte Elektroden bisher. Forschende des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster haben nun erstmals systematisch untersucht, wie sich unterschiedliche Verdichtungsgrade auf die Porenstruktur, den Elektronen- und Ionentransport sowie die Langzeitstabilität und Performanz von Lithium-Eisenphosphat-Elektroden (LFP) auswirken.

Gezielte Verdichtung für verbesserte Batterieleistung

In ihrer Studie konnte das Forschungsteam nun nachweisen, dass für die untersuchten Trockenbeschichtungselektroden eine Porosität von rund 40 Prozent den besten Kompromiss zwischen hoher Energiedichte und effizientem Ionentransport bietet. „Während eine moderate Verdichtung den elektronischen Transport verbessert, behindert eine zu starke Verdichtung die Bewegung der Lithium-Ionen durch die Elektrode und führt zu Leistungseinbußen“, erläutert MEET Wissenschaftler Simon Raffenberg.

Das Forschungsteam konnte zudem zeigen, dass sich die Eigenschaften trockenprozessierter Elektroden durch sogenanntes Post-Calendering, das Nachkalandrieren bereits laminierter Elektroden, gezielt einstellen lassen. „Bislang wurde dieses Verfahren vor allem bei nassprozessierten Elektroden eingesetzt. Die Verwendung in der Trockenbeschichtung eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung der Elektrodenstruktur“, resümiert Dr. Markus Börner, Leiter des Forschungsbereichs „System Zelle“. Die Forschungsergebnisse verdeutlichen, dass neben der Granulatherstellung insbesondere der Prozess des Kalandrierens entscheidend dafür ist, leistungsfähige und gleichzeitig nachhaltiger produzierte Batterieelektroden herzustellen.

Detaillierte Ergebnisse online verfügbar

Die gesamte Studie  haben die Forschenden Simon Raffenberg und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Journal of Power Sources“ veröffentlicht.