Energiespeichertechnologien- & Anwendungen: 6 b. Elektrochemische Energiespeicher - Lithium-Ionen-Batterie
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Identifikatoren | 10.5446/63706 (DOI) | |
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Achtzig-Zentimeter-KanoneCordCodeEnergiespeicherBatterieRutscheKathodeAnodeKarosserieAkkumulatorRissAulaElektrodeLokomotiveElektromotorische KraftLebensdauerMaterialGraphitKapazitätWalken <Textilveredelung>FahrradständerErsatzteilPatrone <Munition>Schlichte <Textiltechnik>StoffvereinigenProfilwalzenMaterialKopfstützeSeitenleitwerkStoff <Textilien>LebensdauerGemischKathodeAnodeNormalKapazitätElektromotorische KraftGraphitLastAbdichtungLithium-Ionen-AkkumulatorBatterieBauformSystems <München>KilogrammEnergiespeicherElektrodeLeistenBehälterAmpulle <Technik>DrehenComputeranimationVorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
06:08
RutscheBatterieAkkumulatorEnergiespeicherKapazitätKathodeKarosserieAnodeSeparatorElektrodePorositätStromverteilungPermeabilitätGraphitSchichtPassivschichtAluminiumfoliePulverÜberspannungsableiterAbladenSatz <Drucktechnik>Isolator <Luftstrahltriebwerk>EdelsteinschliffPhototechnikTrenntechnikSchwingungsmembranWiderstandsschweißenErsatzteilPatrone <Munition>FlorettMaterialSeparatorKapazitätElektronikerAnodeAluminiumfolieGemischPassivschichtAbdichtungPolyethyleneElektrischer KontaktÜberspannungsableiterElektrodeElektrische LeistungPolypropylenGraphitDendritKathodeKarosserieKilogrammMembranPermeabilitätPorositätStromverteilungVerbunddampfmaschineGasturbineProfilwalzenSeitenleitwerkMessschraubeAmpulle <Technik>Computeranimation
12:16
AkkumulatorKathodeÜberspannungsableiterSeparatorAnodeEnergiespeicherRutscheSchichtKarosseriePulverGraphitAluminiumfolieBreiKapazitätReproduktionBatterieAudiAnlauf <Technik>Garvo <Familie>KühlungDichtheitWandLehmEinzylindermotorVideoKnopfTrenntechnikFaltenbildungPatrone <Munition>AufschmelzverfahrenGleitlagerMaterialAbtriebswelleBatterieKarosserieRichtungÜberspannungsableiterNissan PatrolSeparatorEnergieLithium-Ionen-AkkumulatorLaserschweißenKartonLebensdauerComputeranimationBesprechung/Interview
16:27
VideoMaterialComputeranimationDiagrammTransformator
17:32
VideoEinzylindermotorKarosserieRutscheBatterieAkkumulatorEnergiespeicherAnodeKathodeSeparatorFaltenÜberspannungsableiterMaterialTiefziehenVerpackungPresslingÜberspannungsableiterSeparatorKathodeVideoBatterieSchlichte <Textiltechnik>Walken <Textilveredelung>MaterialWarmumformenFertigungsinselTrenntechnikKofferComputeranimationBesprechung/Interview
19:26
VideoKathodeZutatPastePolyvinylidenfluoridLösungsmittelBindemittelOrdner <Schreibware>Technische Zeichnung
19:46
VideoElektrodeHilfsstoffMaterialBeschichtenGemischTechnische Zeichnung
20:05
VideoAscheGemengeZutatPasteMischenGeschwindigkeitVakuumpumpeLuftblaseBesprechung/Interview
20:23
VideoMaschineStartAntrieb <Technik>BremseSchaft <Waffe>BeschichtenMaschineStromabnehmerBlechAluminiumfoliePasteStuckKlingeLösungsmittelRakelPleuellagerComputeranimationMaschineBesprechung/Interview
20:42
BierSpeckVideoKugellagerVerdichterHochdruckElektrodeKalandernMaschine
21:01
BurgVideoFassTagebauSchlichte <Textiltechnik>BlechNissan PatrolFlorettGraphitKathodeAnodeSatz <Drucktechnik>BeladenKurzschluss
21:19
VideoSteppen <Nähen>TagebauÜberspannungsableiterElektrodeMaschineComputeranimationBesprechung/Interview
21:40
GarnVideoTagebauFlorettKlemmverbindungKlemmeNissan PatrolBeutelKofferEinbandmaterialPatrone <Munition>TrenntechnikSchwingungsmembranElektrodeKurzschlussMembranSeparatorHeißsiegeln
22:07
VideoPipetteBoxermotorElektrodeVakuumpumpe
22:27
VideoTagebauTrenntechnikVerbrennungskraftmaschineUnterwasserfahrzeugWerkzeugKennlinieMessgerätProfilwalzenMaschine
22:46
VideoWarmumformenGasturbineBehälterErneuerbare EnergienComputeranimationBesprechung/InterviewTechnische Zeichnung
23:07
VideoA6M Zero-SenBatterieEnergiespeicherBearbeitungVideoErsatzteilMotorB-2MaterialKompendium <Photographie>Computeranimation
Transkript: German
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Ja, wilkommen zurück zur Vorlesung
Energiespeichertechnologien & Anwendungen. Wir waren stehengeblieben bei den elektrochemischen
Energiespeichern und den Lithium-Ionen-Batterien. Wir hatten ein bisschen die Einführung gehabt in Teil A und jetzt wollen wir in Teil B ein bisschen mehr ins Detail gehen und mal schauen, woraus
die Batterien eigentlich so ganz genau bestehen.
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Also, wir gucken uns Materialien für Kathode, Anode,
Elektrolyt an, wir gucken uns verschiedene Aufbauten und Bauformen von den Lithium-Ionen-Zellen an
und ein bisschen den Herstellungsprozess. Wie wird das Ganze eigentlich dann mal produziert,
im kleineren oder auch größeren Maßstab?
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Als allererstes ein bisschen Chemie. Das ist jetzt sehr viel Detailwissen. Ich möchte eigentlich nur vermitteln,
dass Sie so eine Übersicht haben, dass es nicht die Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Ionen-Akkumulator
gibt, sondern ganz verschiedene. Wir unterscheiden im Regelfall
immer hier unter dem Kathoden Material
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und dem Anoden Material,
immer bedenken, das in Anführungszeichen zu sehen. Das Kathoden Material ist immer die positive Elektrode,
dass Anoden immer die negative Elektrode. Bei der positiven Elektroden haben wir
eine größere Auswahl, wie Sie hier sehen können. Die haben auch alle verschiedene Spannungslagen. Je nach Zusammensetzung haben Sie auch einen
ganz großen Bereich, den sie abdecken
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und manche haben auch einen eher kleineren Bereich,
im Regelfall liegt der Wert so um die 4 Volt, wenn wir von dem einen hier absehen,
dem Eisen-Phosphat. Der liegt eher so bei 3 Volt. Aber eine Zellspannung ergibt sich immer durch
zwei Spannungen. es ist eine Differenzspannung, was wir unten sehen. Was ist denn die Anode?
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da haben wir so Stoffe wie Lithium, was eher seltener verwendet wird
oder Graphit, amorpher Kohlenstoff, Silizium. Alles denkbar. Liegen alle eher im Bereich von ungefähr einem 1/2 Volt um den Dreh, bis auf den Kohlenstoff. Auch hier ein Ausreißer nach oben, das Titanat. Das liegt eher so bei 1,7-1,8 Volt.
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Also wir haben ganz verschiedene Möglichkeiten,
Anoden, Kathoden Materialien zu kombinieren und die haben jeweils individuelle Vor- und Nachteile
natürlich. Und die Zellspannung ergibt sich einfach
als Potenzialdifferenz zwischen dem Potenzial der Anode und Potenzial
der Kathode. Ohne jetzt zu sehr ins Detail zu gehen. Kurz erwähnt, es gibt so was wie Lithium-Manganoxid,
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das ist ein Material mit recht hoher Sicherheit,
aber eher geringerer Lebensdauer. Wir haben so klassisches Lithium-Kobaltoxid,
da haben wir eine gute Lebensdauer, aber wir müssen ein bisschen Menge an Restlithium
drinlassen. Das hatten wir ja in der Vorlesung Teil
A ja schon gehört, dass es manche Systeme gibt,
wo wir das Lithium nicht ganz herausbekommen.
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Dann haben wir noch Lithium-Nickeloxid. Das hat wiederum gute Performance, aber als Nachteil
natürlich ein hohes Sicherheitsrisiko leider. Da gibt es verschiedene Mischung
von Lithium-Kobalt-Nickel-Mangan. Das ist ein gutes Misch-Material einfach. Es gibt aber auch welche,
die noch zusätzlich Aluminium enthalten
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und da gibt es eine ziemlich hohe Variabilität. Also es muss nicht nur dieser Drittel-Mix
hier oben sein. Last but not least dieses Lithium-Eisen-Phosphat,
das wir dieser Sonderfall, der so tief hier lag, das ist eigentlich ein sehr günstiges,
sicheres Material, aber es hat eine geringe Spannung. Das konnte man hier sehen. Und es hat den Nachteil,
dass es keine große Energiedichte hat.
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Auch das ist nicht so großartig gegeben. Also es ist wie immer. Es gibt ein bisschen Vor- und Nachteile. Deswegen, es gibt nicht das eine hier Kathoden
Material, was richtig ist, sondern eine Vielzahl. Bei dem Anoden Material
ist es eigentlich in den meisten Fällen so was wie LIC_6 entweder als Hard Carbon
oder als Graphit.
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Als normales Hard Carbon, ist es einfach günstig. Da hat man eine geringe Vollzyklenzahl. Als Graphit ist es teuer,
hat aber eine hohe Vollzyklenzahl. Dann gibt es noch eine Lithium-Silizium,
hat eine hohe Energiedichte, aber es ist erst im Bereich der Forschung vorhanden. Und dann das Titanat, was wir hier haben,
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ist sehr sicher, geringere Spannung
und auch wieder geringe Energiedichte. Also man sieht immer, es ist immer ein Trade-off
zwischen Sicherheit oder Performance oder Lebensdauer. Es gibt nie das eine richtige Material. Sie sehen auch, dass die Lithium-Ionen-Batterien
immer so eine Zellspannung von so um die 3 Volt haben, 3,... Volt.
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Kommt hier auf die Mischung
an, was Sie hier kombinieren. Dann der Form halber noch ein paar Kürzel,
weil es wird häufig gesagt, es ist eine Lithium-Ionen-Batterie, geschrieben
NCA, LMO oder irgend so was. Hier haben wir die ganzen Kürzel mal zusammengeführt. Die meisten lassen sich relativ simpel
auf die Zusammensetzung zurückführen.
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Also LCO steht für Lithium-Kobalt-Oxid. Manche haben aber auch bestimmte Mischungsverhältnise
angegeben, wie 6:2:2 bei NMC. NMC steht für Nickel-Mangan-Kobalt,
6 Teile Nickel, 2 Teile Mangan, 2 Teile Kobalt drin. Die sind meistens Anode mit Karbon oder Graphit
sozusagen gegen gesetzt
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und für die Anode selber gibt es nochmal diese LTO. Das ist das Lithium-Titanat-Oxid,
was Sie eben gesehen haben. Also Sie sehen schon,
bei den Kathoden gibt es eine sehr große Auswahl, bei den Anoden etwas überschaubarer. Das sind im Regelfall
die Kürzel, die Ihnen dabei begegnen
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und in Zukunft noch ein paar neue dazu kommen werden. Noch hier
bei den NMCs gibt es noch viel mehr Mischungen als die beiden, die ich hier gerade aufgeführt habe. Man schaue nochmal kurz auf die gravimetrische Dichte. Auch das ist nochmal eine spannende Größe. Wir haben hier nochmal das Potenzial aufgetragen,
aber dann hier auf der X-Achse
die Kapazitäten in Amperestunden pro Kilogramm.
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So, und die gravimetrische Amperestundendichte der Kathode, des Kathoden
Materials, beträgt real so 100-200 mAh/g. Das kann man sehen. Hier unten sind die Milli-Amperestunden
pro Gramm oder Amperestunden pro Kilogramm aufgetragen.
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Da sieht man die liegen alle relativ dicht beieinander. Auch wenn sich die Spannungslage unterscheidet. Diese gravimetrische Amperestunden-Dichte,
die ist relativ eng vergleichsweise. Bei der Anode kann man sehen, ist es deutlich größer, wenn man auf die Graphite zurückgeht,
ist es dann doch wieder überschaubar im Regelfall.
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Da haben wir diese 170-350 mAh/g oder Ah/kg. Die anderen sind dann eher selten
oder eher Teile der Forschung noch. Was wir auch sehen ist, dass die Energiedichte
natürlich der Anode deutlich größer ist. Noch weiter rechts, kann man gut erkennen. Das heißt im Regelfall brauche ich weniger Anoden
Aktivmasse als Kathoden Aktivmasse.
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Jetzt mal auf Masse bezogen,
weil es ja gravimetrisch ist. Ich brauche weniger Gramm oder Kilogramm
davon, von der Anode wie von der Kathode, weil beiden dann sozusagen am Ende
ja die gleichen Amperestunden aufweisen. Das müsste ja ungefähr das Ziel sein.
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Schauen wir uns noch den Separator
an, auch der ist wichtig. Der muss den elektrischen Kontakt der beiden Elektroden
zueinander verhindern, aber ein freien Ionen-Transport ermöglichen,
also für die Li+. Als sichere Isolierung der Elektroden auch unter missbräuchlichen Bedingungen, also sprich wenn mal Zellen
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irgendwelchen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind
oder Temperaturschwankungen oder oder oder. Dafür muss auch das Seperator Material chemisch
stabil sein. Es hat etwa eine dicke von 10 bis 25 μm. Sie können sich vorstellen, wenn es dünner ist,
spart man wieder ein bisschen Masse. Aber natürlich ist dann die Trennwirkung geringer. Noch dicker, behindert den Ionen-Transport.
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Wird zwar mehr Sicherheit bringen,
aber die Ionen haben dann einen längeren, schwierigeren Weg, sozusagen, höherer
Innenwiderstand auch nicht erwünscht. Die Porosität liegt unter 1 μm, damit
der Elektrolyt sozusagen auf jeder Seite bleibt,
aber die Ionen dabei durchgehend fließen können.
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Dann noch wichtig, um eine gleichmäßige Stromverteilung
zu gewährleisten und das Wachstum von Dendriten zu verhindern, sollte die Permeabilität
des Separators möglichst gleichmäßig sein. Wenn die schon ungleichmäßig ist, dann wandern
natürlich auch die Ionen ungleichmäßig rüber
und dann würden wir ein ungleichmäßiges Wachstum haben. Und wenn der gleichmäßiger ist,
werden wir ein gleichmäßiges Wachstum haben.
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So, kommen wir zu einer ganz speziellen Sache noch. Das gibt es nur bei Lithium-Ionen-Batterien. Das ist hier das SEI (Solid Electrolyte Interfac). Diese Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen
in den Lithium-Ionen-Batterien sind eigentlich thermodynamisch instabil. So, dafür werden dann Oberflächenschichten aufgebracht. Das SEI stabilisiert das Ganze.
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Wenn ich sie nicht hätte,
wäre die ganz Oberfläche instabil. Die wichtigste Funktion
dieser SEI ist deswegen also an der Anode immer. Ich brauche eine stabile Passivschicht, um keine weiteren Schichtbildungen zu haben
und die Grenzflächen zu stabilisieren.
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Man kann das hier so grob erkennen,
dass sind diese offenen Kanäle und das Ganze stabilisiert das nach außen. Der Elektronen Transfer sollte möglichst unterdrückt
werden, weil da kommt ja irgendwann die Membran und ich möchte ja nicht durch die Membran
durchgehen, durch den Separator. Aber umgekehrt
sollte das Elektrolyt möglichst einfach dadurch gehen. Sie können sich vorstellen, dass gerade wie diese SEI aufgebaut ist, das zur Zell-Charakteristik natürlich beiträgt.
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Also wie gut kann ich das Ganze abschirmen
gegen Elektronen? Wie leicht kann ich an der Stelle den Elektrolyt
hindurch diffundieren lassen? Wie groß ist der Innenwiderstand? All das wird durch das SEI bestimmt. Und natürlich, ich habe gebundenes Lithium da drin.
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Da sehen Sie mal so eine feine Auflösung,
was alles drin vorkommen kann. Das ist eine wilde Mischung aus Verbindung von Lithium,
wie Oxyden, Karbonaten und so weiter. Natürlich bedeutet das auch immer Verlust an Kapazität, weil natürlich das Li+ hier schon dann gebunden ist. Dieses Wachstum ist der wesentliche Alterungsprozess
von Lithium-Ionen-Batterien.
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Also diese führen dazu, dass die Kapazität sinkt,
dass der Widerstand steigt. Da wir aber auch gesagt haben,
es soll eine stabile Passivschicht sein, möchte man sie am Anfang natürlich auch erzeugen. Das wird im Formierungs-Prozess gemacht. Da verliert man so rund 10 % an Kapazität durch diesen Formierungs-Prozess,
der unter anderem die SEI ausbildet.
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So, jetzt viel über die Theorie. Jetzt gucken wir uns ein paar Bildern dazu an. Also häufig sieht es so aus,
wir haben hier einen Schnitt durch. Das Kathoden-Ableiter-Material ist
Aluminium, hat so eine Dicke von rund 20-30 μm. Dann die Kathode, die hat 30-200 μm.
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Das kommt darauf
an, ob es High-Power oder High-Energy ist. Können Sie sich vorstellen, High-Power ist eher
dünnere Schichten, weil ich ja Leistungen haben will. High-Energy-Batterien natürlich eher die Energiemenge
entscheidend, also eher dickere Schichten.
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Der Separator selber, mit Elektrolyt
gefüllt, ist nur 20-25 μm und ist häufig PP,
also Polypropylen oder Polyethylen basiert. Die Anode ist dann noch ein bisschen dünner. 20-100 μm dick, je nachdem, ob ich High Power
oder High-Energy Zellen aufbauen will. Am Ende kommt der Ableitung aus Kupfer, der nochmal
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ein bisschen dünner ist,
aus Aluminium, aus materialtechnischen Gründen. Dass das Anoden-Material mehr sozusagen Elektroden
aufnimmt, mehr Kapazität hat, was wir eben hatten, diese Amperestunden pro Gramm kann man auch
noch ein bisschen hier an der Dicke ablesen. Das muss man nicht daran erkennen können,
weil wir die Dichte natürlich dazwischen noch haben. Aber es korreliert ja ganz gut zusammen, dass auch das
Volumen an der Anode geringer ist als an der Kathode.
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Hier eine Fotoauswahl
daraus, wie das Ganze aufgebaut sein kann. Da sieht man auch mal diesen doppelseitigen Aufbau. Wenn ich also eine Alufolie habe,
das ist hier der Kathoden-Ableiter, dann habe ich Kathoden-Material auf beiden Seiten
und dann kommt jeweils
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ein Separator, den man hier gut sehen kann und dann kommt hier wiederum dazwischen
die Kupferfolie mit dem Aktivmaterial. So sind die ganzen Schichten aufgebaut. So, schauen wir uns hier nochmal den Aufbau an von Hochleistungs- oder von Hochenergie-Batterien,
die es gibt.
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Bei Hochleistungs- Batterien sind natürlich sehr dünne
Aktivmassen Schichten wichtig, weil ich ja möglichst viel Oberfläche haben möchte
und dementsprechend viel Leistung habe. Also, Leistung und Oberfläche sind miteinander
korreliert. Wogegen habe ich Hochenergie-Batterien, da möchte ich relativ viel Aktivmasse haben
und brauche keine großen Oberflächen.
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Kann man hier gut sehen. In der einen Ausführung habe ich sehr dünne Aktivmassen
Schichten. Damit bekomme ich mehr Flächen/Oberflächen
rein, mehr Ableiter Flächen usw. Das ist der Hochleistungs-Aufbau
und der Hochenergie-Aufbau, wo ich viel Aktivasse haben möchte,
da brauche ich weniger Ableiter-Flächen
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und da sind hier unten sehr dicke Schichten, jeweils
aufgebaut für Kathoden-Material, Anoden-Material und hier (hellblau) der Separator dazwischen,
dann Aluminium oder Kupfer als Ableiter-Material. Auch hier kann man schön den gespiegelten Aufbau,
jedes Mal, der Batteriezellen sehen, also hier ist sozusagen der Kupferpol, dann
aber wir hier
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eine Zelle in diese Richtung aufgebaut
und dann die andere Zelle gespiegelt. So kann man immer einen Plus und Minuspol
immer hier abwechselnd abnehmen. Das Ganze haben wir dann unten mal sortiert. Wir haben mal den Aufbau von Hochleistungszellen
sortiert nach Materialien und den von Hochenergiezellen. Was man schnell sieht ist, bei Hochleistungszellen
sind die Aktivmassen, also die blauen und schwarzen
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(Streifen) hier für Kathode/Anode, deutlich
weniger anteilig als bei den Hochenergiezellen. Was sehr naheliegend ist,
weil bei gleichem Bauvolumen der andere natürlich mehr Passivmaterialien hat, wozu die ganzen Ableiter zählen
und die Separatoren natürlich zählen. Dementsprechend habe ich natürlich deutlich
mehr Energie in den Hochenergie-Batterien,
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allein schon deswegen,
weil bei gleichem Bauvolumen weniger Passivmaterialien habe, die den Bauraum wegnehmen
und dementsprechend mehr Energie speichern kann.
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Gucken wir uns noch ein bisschen
den Aufbau der Zellen hierbei an. Es gibt verschiedene Zellen,
da sind hier mal so die klassischen Rundzellen, die Sie sicherlich kennen,
oder auch als Knopfzelle hier unten, die man kaufen kann,
als prismatische oder als Pouchzellen. Alle Zellen sind verfügbar und üblich. Also der Tesla fährt bisher
mit den klassischen Rundzellen,
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die werden dort eingesetzt und andere Elektroautos haben
auch irgendwelche prismatischen oder auch Pouchzellen drin. Diese Knopfzellen sind dann eher für Elektromobilität
nicht geeignet. Das sind andere Anwendungen. Gucken wir uns mal an wie die praktisch aussehen können
hier.
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Die Rundzellen
haben sie alle sicherlich schon zig mal gesehen. Das sind ganz klassische Produkte. Man hat damit sehr lange Erfahrung gemacht,
die haben eine lange Lebensdauer, sie sind etwas schwieriger zu kühlen an der Stelle. Das ist aber auch alles. Viel spannender und heute auch häufig eingesetzt sind die Pouch-Bag-Zellen oder auch Coffee-Bag-Zellen. Das ist so wie eingeschweißt es Kaffeepulver, daher dieser Name.
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Man kann sie relativ gut kühlen, weil sie viel Oberfläche pro Zelle haben, weil hier oben ist ja alles aufgewickelt und hier unten ist eine Zelle oder mehrere [gefaltete...] Faltungen einer Zelle,
(so ist es richtig) zusammen drin, aber sie haben natürlich ein besseres A
zu V Verhältnis. Also haben viel mehr Oberfläche zum Kühlen,
als ich bei Rundzellen habe. Sie kriegen relativ hohe Energiedichten hin,
weil sie weniger von diesem harten
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Material haben,
dieser Shell, die das Ganze zusammenhält. Man muss natürlich sehr aufpassen, man muss
diese Schweißnähte, die Sie hier sehen, gut dicht bekommen,
sonst hat man damit relativ schnell Probleme. Prismatische Zellen, das sind so die kombinierten
Eigenschaften von beiden eigentlich. Da habe ich auf der einen Seite
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eine Art Hartshell außenrum, aber innendrin
so eine Art Pouch-Bag-Aufbau. Auch das ist ein übliches Verfahren, wie solche Lithium-Ionen-Akkumulatoren heute angeboten
bzw eingesetzt werden. So, kommen wir nochmal zu einem ganz kurzen Video, das nochmal zeigt, wie diese ganzen Pouchzellen eigentlich
zusammen zu einer Batterie gebaut werden.
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So, ich hoffe,
Sie haben einmal einen Eindruck bekommen,
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wie das Ganze so zusammengesetzt ist. Das war ein recht kurzes Video, aber vielleicht hilfreich,
das Ganze nochmal zu visualisieren. Gucken wir uns das Ganze nochmal an,
wie so eine Zellherstellung funktioniert. Ich mache das einmal hier kurz mit ein paar Schnittbildern
und dann gleich mit einem Video dazu. Wir haben also ein Anoden-Material auf dem Ableiter, ein Separator, ein Kathoden-Material auf dem Ableiter.
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Das Ganze stapeln wir dann aufeinander und sie können relativ gut sehen, hier unten haben wir diesen Kupferableiter zu sehen. Da kommt der Separator oben draufgelegt und dann wird diese Kathode sozusagen gedreht obendrauf gelegt. Damit kommt dann auch dieser graue Ableiter auf
die gegenüberliegende Seite, damit haben wir das Stapeln erledigt.
18:22
Dann werden auch diese kurzen Fähnchen
auch richtig an die Ableiter angeschweißt, mit denen man den Strom herausbekommt. Dann kommen wir hier unten rein und
dann wird das Ganze verpackt. Es gibt so eine tiefgezogene Verpackung,
da wird das Ganze reingelegt. Dann wird das Ganze vorgesiegelt an einer Seite,
dann wird das Ganze mit Elektrolyten gefüllt
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und am Ende natürlich nochmal versiegelt
und gefalten, die Ecken. Dass sie am Ende diese Pouch-Bag haben. Das sind die Schritte, die sehen Sie jetzt gleich auch in dem Video. Auch das werde ich Ihnen gleich
nochmal kurz reinschneiden. Das ist ein ganz spannender Prozess. Da ist mal dargestellt
von der Größenskala ist es natürlich eher naja so Technikum-Scale an der Stelle
oder kleine Batteriemengen.
19:04
Aber das ist das Verfahren wie
heute solche Batterien hergestellt werden. Sie können sich das Video gerne
in voller Länge angucken. Ich habe Ihnen vorne was weggelassen, was jetzt nicht so wichtig ist, aus meiner Sicht, zur Herstellung, aber da ist so ein bisschen die Anwendung vorneweg mit gestartet. Aber sonst gucken Sie ab Minute 2 ungefähr
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und da können Sie relativ gut sehen,
wie dieser Schichtenaufbau vonstattengeht. Was ein Herausforderung für die Wissenschaftler des Instituts für Angewandte Materialien am Karlsruher Institut für Technologie darstellt. Sie stellen Laborproben von Zellen her,
die in Plastikfolie eingewickelt sind, sogenannte “Pouchzellen”.
19:42
Ein Wissenschaftler mischt die Zutaten für die Kathode
zu einer Paste zusammen. Die Paste besteht aus dem Bindemittel Polyvinylidenfluorid und N-Methylpyrrolidon, einem Lösungsmittel Hinzu kommen Li-Metall-Oxid als aktives Kathodenmaterial und Hilfsstoffe wie Ruß/Graphit, die die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode erhöhen.
20:05
Die Graphitanode wird anschließend
aus einer vergleichbaren Mischung hergestellt. Der Wissenschaftler mischt die Zutaten und gibt sie in den Mischer. Bei hoher Geschwindigkeit wird das heterogene Gemisch zu einer homogenen Paste.
20:21
Dieser Vorgang wird unter Vakuum durchgeführt,
um zu verhindern, dass Luftblasen in die Paste eingewirbelt werden. Die Elektrodenpaste wird dann in die Beschichtungsmaschine gebracht, wo sie auf einen Stromabnehmer aufgetragen wird. Die Paste wird auf ein Stück Aluminiumfolie gegossen,
das langsam durch die Maschine bewegt wird. Eine Art Metallstab (Rakel) schabt überschüssige Paste ab.
20:41
Die nasse Kathodenbeschichtung durchläuft nun eine Reihe von Trockenkammern, in denen das Lösungsmittel verdampft wird. Ein Wissenschaftler platziert nun die Elektrode zwischen zwei Walzen, wo es mit hohem Druck komprimiert wird. Dies wird als Kalandrieren bezeichnet. Das Ziel dieses Verfahrens ist es, eine bestimmte Stärke und Schichtdicke für die Elektrode zu erreichen.Anschließend schneidet ein Wissenschaftler
21:03
das Kalanderblatt in Streifen, für eine bestimmte Elektrodengröße, und versieht sie mit einem unbeschichteten Streifen (dem leitenden Abgriff). Die Anode wird aus Kupferfolie geschnitten,
die mit Graphit beschichtet ist. Sie ist etwas größer als eine Kathode. Damit soll verhindert werden, dass sich während des Ladens Li-Ablagerungen am Ende der Anode bilden, die zu Kurzschlüssen führen könnten. Einige
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Zellkomponenten sind feuchtigkeitsempfindlich. Forscher müssen die Zellen in einem Trockenraum zusammenbauen, bei extrem niedriger Luftfeuchtigkeit. Im Trockenraum wird mittels HF-Ultraschall ein Metallstreifen auf die unbeschichtete Ableitung der Elektrode geschweißt, der stabiler ist als die
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dünne Stromabnehmerfolie. In einem späteren Stadium werden die Klemmen zum Anlegen einer Spannung auf dem Streifen befestigt. Um die Zellen zu verpacken,
wird eine feuchtigkeitsundurchlässige Kunststoffhülle benötigt (der Beutel). Zwischen den Elektroden wird ein Separator aus einer elektrisch nicht leitenden Membran angebracht, um Kurzschlüsse zu verhindern.
22:03
Anschließend werden Stapelschaltungen in den Beutel eingelegt und die Seiten des Beutels durch Heißsiegeln zusammengefügt (eine Seite bleibt offen) Mit einer Pipette füllt der Forscher den Elektrolyten, der aus Lösungsmitteln und Leitsalz besteht, in die Zelle ein. So können sich die Lithium-Ionen frei von einer Elektrode zur anderen bewegen. In einer vakuumierbaren Box wird die Zelle komplett vakuumversiegelt.
22:30
Nachdem die Zelle zusammengebaut ist, wird sie verschiedenen Labortests unterzogen. Die Zelle durchläuft nun mehrere Lade-/Selbstladezyklen.
22:42
Der Spannungsverlaufwird mit einem Messgerät aufgezeichnet und in Form von Kennlinien grafisch dargestellt. Durch das Experimentieren mit verschiedenen Materialien/Verfahren gelingt es Wissenschaftlern, die Leistung und Zuverlässigkeit zu erhöhen und Herstellungskosten zu senken Da sie sich bei der Arbeit an industriellen Arbeitsabläufen/Materialien orientieren, können sie aus den Ergebnissen Produktionsempfehlungen ableiten.
23:07
Zum Beispiel neue Speichertechnologien für erneuerbare Energien.
23:21
So, mit dem Video schließen wir das Ganze. Wie immer die ganzen Verweise auf die Lizenzen,
die existieren. Nochmal der Hinweis, dass natürlich diese YouTube Videos immer den YouTube Eignern gehören
und sie hier nur im Sinne zitiert sind. Und ich hoffe, das war eine gute Einheit
erstmal, die wir heute hatten hier, dass Sie eine Menge verstehen konnten,
wie das Ganze aufgebaut ist, die Materialien
und dann gehen wir gleich im Teil C
23:43
noch ein bisschen mehr in die Details,
in Ladeverfahren, Sicherheitstechnik und so weiter. Und natürlich in Anwendungen. Bis gleich dann.