Best Practices bei der Vorbereitung und Bewertung von Lithiumbatteriezellen

Kommunikationsmaterialien Band 3, Artikelnummer: 64 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Verbesserte Lithiumbatterien sind für Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeuge sehr gefragt. Um neue Materialien und Komponenten genau bewerten zu können, müssen Batteriezellen in einer kontrollierten Umgebung hergestellt und getestet werden. Bei den häufig verwendeten Münzzellen und kleinen Pouchzellen beeinflussen bestimmte Schlüsselfaktoren und Parameter die endgültige Zellqualität und -leistung erheblich. Um genaue und zuverlässige Daten zu neuen Materialien für Batterien zu erhalten, sind Wiederholbarkeit und Qualität der Zellfertigung daher von entscheidender Bedeutung, um reproduzierbare Ergebnisse sicherzustellen. Hier diskutieren wir die Schlüsselfaktoren und Parameter, die die Zellherstellung und -prüfung beeinflussen, einschließlich Elektrodengleichmäßigkeit, Komponententrockenheit, Elektrodenausrichtung, Innen- und Außendruck, Kontrolle der Elektrolytmenge und Zellbefestigung mit Druckkontrolle. Wir bieten auch allgemeine Richtlinien für eine zuverlässige Zellvorbereitung.

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind allgemein anerkannt und werden in einer Vielzahl von Anwendungen der Unterhaltungselektronik eingesetzt, beispielsweise in mobilen Geräten (z. B. Computer, Smartphones, mobile Geräte usw.), Elektrowerkzeugen sowie gesundheitserhaltenden Geräten1. Aufgrund der aufkommenden Nachfrage auf dem Markt für elektrifizierte Transportmittel war auch die Entwicklung fortschrittlicherer Batterien mit hoher Energiedichte und geringem Verlust stark gefragt2,3,4,5,6. Neben Studien und Entwicklungen traditioneller LIBs, die auf der Interkalation von Lithium (Li) zwischen der Graphitanode und der Lithium-Übergangsmetalloxid-Kathode basieren, gibt es auch Li-Metallbatteriesysteme, bei denen eine metallische Lithiumanode gegen Lithiummetalloxid oder andere nicht Li-haltige Kathoden verwendet wird erregten große Aufmerksamkeit aufgrund ihres Potenzials mit höherer Energiedichte oder geringeren Materialkosten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen5. Da sowohl Li-Ionen- als auch Li-Metall-Batterien Li-haltige aktive Materialien verwenden und auf der mit Li-Ionen verbundenen Redoxchemie beruhen, bevorzugen wir im folgenden Kontext den Begriff „Lithiumbatterien“ (LBs), um sich auf beide Systeme zu beziehen.

Im letzten Jahrzehnt wurden alle Hauptkomponenten von LBs, einschließlich aktiver Materialien, Bindemittel, leitfähiger Zusätze, Elektrolyt und Membranen, gründlich untersucht und durch zahlreiche veröffentlichte Forschungsergebnisse dokumentiert7,8,9,10,11,12,13. Neben der chemischen und physikalischen Charakterisierung auf Materialebene müssen elektrochemische Zellen vorbereitet und getestet werden, um die Leistung dieser Komponenten weiter zu untersuchen. Im Idealfall liefern kommerziell in der Produktionslinie hergestellte Zellen, unabhängig vom Beutel-, zylindrischen oder prismatischen Format, besser reproduzierbare Ergebnisse6. Allerdings verwenden die meisten Forschungslabore aufgrund der Ressourcen- und Kostenbeschränkung immer noch kleinformatige Zellen, wie z. B. Knopfzellen, für die Auswertung14,15. Obwohl einige Institute für die Auswertung einschichtige oder kleine mehrschichtige Zellen im Beutelformat verwenden, wurden die meisten dieser Proben immer noch „manuell“ aus Aktivmaterialpulver hergestellt (im Gegensatz zur automatischen oder halbautomatischen Linienfertigung). . Bis vor kurzem begann die Forschungsgemeinschaft, auf die Zuverlässigkeit der Zellherstellung zu achten, da die weitere Bewertung in hohem Maße von der Qualität und Konsistenz der gewonnenen Zellen abhängt. Für Zellen im Münzformat wurden während des gesamten Zellherstellungsprozesses mehrere Schlüsselfaktoren identifiziert, die großen Einfluss auf die endgültige Zellleistung haben14,15,16,17,18,19,20. Leider gibt es immer noch wenige Studien zu Schlüsselfaktoren für die Vorbereitung und Bewertung von Zellen im Beutelformat21.

In diesem Artikel werden Schlüsselfaktoren, die die endgültige Zellleistung während des Herstellungsprozesses beeinflussen, für das Münzformat bzw. das Beutelformat identifiziert und diskutiert. Einige wichtige Parameter, die einen erheblichen Einfluss auf diese Faktoren haben, werden ebenfalls vorgestellt und diskutiert. Am Ende werden auch einige Erwartungen an eine systematische Studie zum Zellherstellungsprozess sowie die Notwendigkeit eines Standardprotokolls für die Zellherstellung und -prüfung dargelegt. Wir wünschen uns, dass die Diskussion über diese Schlüsselfaktoren und wichtigen Parameter der Batterieforschungsgemeinschaft einen allgemeinen Leitfaden für die zuverlässige und reproduzierbare Herstellung und Prüfung von Zellen liefern würde.

Elektroden sind die wichtigste Komponente in der LB-Zelle. Die Qualität der Elektrode würde die endgültige Zellleistung maßgeblich beeinflussen. Bereits im Jahr 2011 veröffentlichten Mark et al. eine allgemeine Methode zur Vorbereitung von LIBs-Elektroden am Beispiel der NMC111-Kathode, die als Referenz für die Anwendung von PVDF-Bindemitteln dient18. In einer aktuellen Veröffentlichung haben Jiangtao et al. lieferte ein Beispiel für die Herstellung einer Graphitanode, bei der ein Carboxymethylcellulose-Bindemittel auf Wasserbasis verwendet wird15. (Abb. 1.) In beiden Beispielen wurde auf eine gute Durchmischung der Aufschlämmung mit geeigneter Mischausrüstung und Zeitkontrolle Wert gelegt, da die Gleichmäßigkeit der Aufschlämmung ein Schlüsselfaktor ist, der die endgültige Zellleistung beeinflusst. Um die Agglomeration zu reduzieren, wird dringend empfohlen, feste Pulver (aktive Materialien und leitfähige Additive) vor dem Nassmischen mit der Bindemittellösung vorzumahlen und zu sieben. Darüber hinaus sollte der Feststoffgehalt für eine bessere Qualitätskontrolle bei verschiedenen Chargen konsistent sein.

einen Schritt des Mischens der Aufschlämmung; b Abkühlung der Aufschlämmung nach dem Mischen; c Porositätskontrolle im Kalandrierungsprozess; d Elektrodenausrichtung während der vollständigen Zellherstellung; e Steuerung des N/P-Verhältnisses für die Vollzelle; f Elektrolytbenetzung der Elektroden. (Nachdruck mit Genehmigung von Lit. 15. Copyright 2021 Cell Press).

Die Gleichmäßigkeit der Elektrodendicke, insbesondere bei dicker Elektrodenbeschichtung, ist ein entscheidender Faktor für die endgültige Zellleistung22,23. Jeder Hersteller hat seine eigenen Spezifikationen und Anforderungen an die Dickenschwankung der Elektrodenbeschichtung, die normalerweise innerhalb weniger Prozent liegt. Allerdings verlassen sich die meisten Forschungslabore immer noch auf Handwerkzeuge oder kleine motorisierte Beschichtungsgeräte, um die Aufschlämmung für die Beschichtung kleiner Flächen auf der Folie zu verteilen. Um eine bessere Beschichtungsqualität zu erreichen, würden einige Parameter für den Beschichtungsbetrieb im Labormaßstab berücksichtigt. Einer der wichtigen Parameter ist die Beschichtungsgeschwindigkeit. Abhängig von der Viskosität der Aufschlämmung kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit auch bei gleicher Spalteinstellung Einfluss auf die endgültige Beschichtungsdicke haben. Unter Berücksichtigung der Art der Zufuhr der Aufschlämmung zur Beschichtungsklinge sowie der Verdunstungsrate des Lösungsmittels kann die Beschichtungsdicke sowohl im Anfangs- als auch im Endbereich einige Schwankungen aufweisen. Eine konstante Beschichtungsgeschwindigkeit sorgt jedoch für eine relativ gleichmäßige Beschichtungsdicke entlang der Beschichtungsrichtung. Andererseits sollte der Spalt der Beschichtungsklinge vor der Verwendung sorgfältig kalibriert werden, da er die Dickenschwankung entlang der Beschichtungsbreite beeinflusst.

Auch die Trockenheit aller Komponenten wie Elektrolyt und Separatormembran ist entscheidend für die Zellleistung. Es ist bekannt, dass ein nicht kontrollierter Feuchtigkeitsgehalt in Batterien zu einer instabilen Struktur des aktiven Materials, Gasentwicklung sowie anderen Sicherheitsproblemen führen kann8,24,25. Daher ist es notwendig, den Feuchtigkeitsgehalt regelmäßig zu überprüfen und die Trockenheit organischer Lösungsmittel und Li-Salze aufrechtzuerhalten. Beispielsweise sind einige Lösungsmittel auf Etherbasis aufgrund der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser stark hygroskopisch. Selbst bei Lagerung im Ar-Handschuhfach erhöht sich der Feuchtigkeitsgehalt, insbesondere bei häufigem Gebrauch, weniger isoliertem Behälter und langer Lagerzeit. In den meisten Fällen würde ein aktiviertes A4-Molekularsieb dazu beitragen, die Trockenheit der Lösungsmittel bei einem niedrigen anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt (~10–20 ppm) aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu organischen Lösungsmitteln müssen Li-Salze von Fall zu Fall behandelt werden. Beispielsweise kann LiTFSI unter Vakuumbedingungen erneut getrocknet werden (z. B. Trocknen auf einer Schlenk-Linie), während LiPF6 unter allgemeinen Laborbedingungen keine einfachen Trocknungs- oder Rückgewinnungsmethoden aufweist. Für vorbereitete Elektrolyte, auch kommerzielle Elektrolyte, wird dringend empfohlen, die Reinheit und den Feuchtigkeitsgehalt regelmäßig durch Karl-Fischer-Titration und NMR zu überprüfen26,27, da A4-Molekularsiebe aufgrund des Ionenaustauschs nicht verwendet werden können.

Das Trocknen des Separators vor der Verwendung wird aufgrund seiner hochporösen Beschaffenheit ebenfalls dringend empfohlen. Eine übliche Methode zur regelmäßigen Separatortrocknung ist die Verwendung eines Vakuumverfahrens bei niedriger Temperatur (z. B. <60 °C) mit kontrollierter Zeit, um die thermische Verformung zu verhindern. In den letzten Jahren wurden neuartige Separatoren mit neuen Polymerkomponenten oder speziellen Oberflächenbeschichtungen im Batteriebereich eingeführt. Für diese neuen Separatoren wird dringend empfohlen, die vom Hersteller oder Verkäufer empfohlenen Trocknungsbedingungen zu verwenden.

Knopfzellenteile wie Kathoden- und Anodengehäuse, Abstandshalter und Federn müssen vor dem Trocknen sorgfältig gereinigt werden. Diese Metallteile können je nach Prozesskontrolle des Herstellers metallische und organische Rückstände aufweisen. Eine Spülung mit Aceton/Alkohol und entionisiertem Wasser mit Ultraschallbadunterstützung würde bei der Entfernung dieser Rückstände vor dem weiteren Trocknen helfen. Andere Zellbestandteile, wie Beutelmaterialien und Laschen/Bänder, sollten vor jeder Batch-Zellenherstellung ebenfalls vorgetrocknet werden, um eine Ansammlung von Feuchtigkeit zu verhindern.

Aufgrund ihrer einfachen Konfiguration, einfachen Vorbereitung und relativ geringen Materialkosten ist eine Zelle im Münzformat das vorherrschende Format, das bei Batteriestudien verwendet wird. Es wurden mehrere Schlüsselparameter identifiziert, die sich auf die Qualität der Zellvorbereitung und die Wiederholbarkeit der Daten auswirken würden14,15. Die Ausrichtung von Kathode und Anode ist für die Langzeitstabilität sehr wichtig28. Idealerweise sollten Kathoden- und Anodenfläche gleich sein und sich zu 100 % überlappen14. Bei diesem Design kommt es jedoch immer zu einer Fehlausrichtung der Elektroden, die zu einer direkten Li-Abscheidung führt und somit zu inkonsistenten Ergebnissen führt. Daher sollte die Anodenfläche etwas größer als die Kathodenfläche sein, was zu einer besseren Ausrichtung beiträgt15. Dieses überdimensionierte Design wird auch in kommerziellen Zellen mit größerem Format verwendet. Ein weiterer Schlüsselfaktor ist die Elektrolytmenge, die beim Zusammenbau der Knopfzellen verwendet wird. Theoretisch sollte der Elektrolyt alle Poren in den Elektroden und der Separatormembran füllen. Eine systematische Studie an NMC/Graphit-Vollzellen ergab, dass ein angemessener Überschuss an Elektrolyt zu einer besseren Zellkapazität führt20. Um eine bessere Reproduzierbarkeit der Daten aus verschiedenen Versuchsreihen zu erreichen, sollte bei allen Zellvorbereitungen genau die gleiche Elektrolytmenge verwendet werden. Andererseits sollte bei der Verwendung eines großen Elektrolytüberschusses Vorsicht geboten sein, da die Gesamtmenge in jeder Zelle unterschiedlich sein kann, da der Elektrolyt beim Crimpen „herausgedrückt“ werden kann.

Neben den oben genannten Faktoren, die gründlich untersucht wurden, ist auch der auf die Innenteile, einschließlich Elektroden und Separatoren, ausgeübte Druck ein kritischer Faktor, der die endgültige Zellleistung beeinflussen würde. Abbildung 2 zeigt ein Querschnittdiagramm einer typischen Knopfzelle. Im Gegensatz zu Zellen im Beutelformat, bei denen der ausgeübte Druck hauptsächlich von einer externen Quelle stammt, beruht der intern auf die Elektroden ausgeübte Druck der Knopfzelle hauptsächlich auf der Federkompression. Leider gab es keine Berichte über eine Studie zum internen Druck. Unterschiedliche Federkonstruktionen und -texturen machen es schwierig, ein Grunddruckprofil zu erhalten. Da die Innenhöhe der Zelle fest ist (z. B. ~3 mm für Knopfzellen vom Typ 2032), wird die Federkomprimierung durch die Gesamtdicke anderer Komponenten und die Auswahl der Abstandshalterdicke bestimmt. Wenn daher in verschiedenen Chargen ähnliche Elektrodenstärken verwendet werden, sollte die gleiche Abstandshalterstärke verwendet werden, um eine gleichmäßige Federkomprimierung zu erhalten, die mit dem ausgeübten Innendruck verknüpft ist. Wenn sich hingegen die Dicke der Elektrodenbeschichtung oder die Massenbelastung oder die Dicke der Li-Gegenelektrode ändert, ist eine entsprechende Anpassung der Abstandshalterdicke erforderlich, um einen angemessenen geschlossenen Innendruckzustand zu gewährleisten.

Querschnittsschema einer Zelle im Münzformat mit unterschiedlichen Innendrücken unter der Annahme, dass alle Komponenten bis auf die unterschiedliche Dicke der Abstandshalter gleich sind. a Höherer Innendruck mit größerer Federkompression durch dickeres Distanzstück und daraus resultierendem kleineren Federspalt; b Niedrigerer Innendruck bei geringerer Federkompression aufgrund des dünneren Distanzstücks und des daraus resultierenden größeren Federspalts.

Neben dem Innendruck würde durch den Crimpvorgang auch Außendruck ausgeübt. Der Crimpdruck variiert je nach Gerätedesign und -konfiguration zwischen mehreren hundert und tausend psi. Obwohl der Druckwert nicht den endgültigen Druck anzeigt, der auf die innere Komponente ausgeübt wird, wirkt er sich dennoch auf die innere Komponente mit zusätzlichem Druck während des Crimpvorgangs aus. Beispielsweise könnte ein zu hoher Crimpdruck zu einer Verformung des Separators und damit zu einem internen Kurzschluss führen. Leider ist es schwierig, ein Standardprotokoll für die Einstellung des Crimpdrucks zu haben, da die Mechanik und das Design der Crimpwerkzeuge unterschiedlich sind. Allerdings könnte ein konsistenter Aufbau, einschließlich einer geeigneten Druckeinstellung und Haltezeit, die Ausfallrate bei der Zellenherstellung erheblich reduzieren und die Reproduzierbarkeit der Knopfzellendaten erheblich verbessern.

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, weist der meist manuelle Herstellungsprozess der Münzformatzelle eine große Systemabweichung auf. Für solche Systeme könnte eine statistische Datenanalyse mit ausreichend Probenzellzahlen für jede Charge geeigneter und aussagekräftiger sein. Brandon et al. veröffentlichte eine systematische Studie mit 30-Zellen-Test20. Die Autoren schlugen vor, kleinere Stichprobensätze zu verwenden, um eine angemessene Datenverteilung zu gewährleisten. Da dieser Bereich eher der mathematischen Statistik zuzuordnen ist, was den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, verzichten wir auf eine weitere Diskussion. Allerdings sollte bei der Forschung im Labormaßstab bei der Verwendung von Zellen im Münzformat eine ausreichende Probensatzanzahl für jede Charge (z. B. 3–10 Zellen pro Charge) angestrebt werden.

In den letzten Jahren wurden einschichtige und kleine mehrschichtige (normalerweise <3 Ah) Zellen im Pouch-Format in der fortgeschrittenen LB-Forschung eingeführt, da sie als näher an ihrem kommerziellen Gegenstück galten als Zellen im Münzformat21,29,30. Da jedoch die meisten Zellen im kleinen Beutelformat im Labormaßstab manuell hergestellt wurden, werden die Qualität und die Datenreproduzierbarkeit auch stark durch alle Fehler während des Vorgangs beeinträchtigt, ähnlich wie bei der Zelle im Münzformat. Ein allgemeiner Prozess zur Herstellung von Beutelzellen umfasst das Schneiden/Beschneiden der Elektroden, das Stapeln der Elektroden, das Schweißen von Laschen, das Verschließen des Beutels, die Elektrolytinjektion, die Formung sowie das abschließende Entgasen und Wiederverschließen. Dieser Prozess zur Herstellung von Pouch-Zellen umfasst mehr Arbeitsschritte als die Herstellung von Knopfzellen und führt daher zu mehr Systemfehlern und menschlichen Fehlern.

Unabhängig vom Herstellungsprozess weisen Zellen im Beutelformat ähnliche Schlüsselfaktoren auf, die mit der endgültigen Zellleistung zusammenhängen. Beispielsweise ist die Ausrichtung der Elektroden immer noch sehr kritisch, unabhängig davon, ob es sich um einschichtige oder mehrschichtige Zellen handelt. Bei den meisten Laboraufbauten ist die Anode an jeder Kante etwa 1–2 mm größer als die Kathode, daher ist die Toleranz für die Fehlausrichtung sehr gering. Neben der anfänglichen Platzierung der Elektroden sollten auch bei den folgenden Prozessen zum Aufwickeln des Separators, zum Schweißen von Laschen und zum Verschließen von Beuteln Vorsichtsmaßnahmen zur Anpassung der Elektrodenausrichtung getroffen werden. Beim Stapelvorgang können sich die Elektroden während des Elektrodenwickelvorgangs aufgrund statischer Elektrizität leicht verschieben. Beim Laschenschweißen würde die Fehlausrichtung aufgrund der Verformung des Laschenbereichs aufgrund des Drucks der Schweißköpfe auftreten. Eine ähnliche druckbedingte Fehlausrichtung würde auch beim Verschließen von Beuteln auftreten, insbesondere am Rand mit Laschen. In den meisten Fällen würde ein individueller Halter oder eine Vorrichtung, die etwas Druck ausüben kann und die Biskuitrolle (Elektroden-/Separatorstapel) und die Zelle geometrisch begrenzt, bei der Ausrichtung sehr hilfreich sein.

Darüber hinaus sollte die Benetzungszeit des Elektrolyten, insbesondere bei Zellen mit dick beschichteten Elektroden, kontrolliert werden, um eine vollständige Diffusion des Elektrolyten zu ermöglichen. Bei der industriellen Herstellung von Batterien werden die Elektrolyteinspritzung und die anschließende Benetzung sorgfältig durch geeignete technische Gestaltung sowohl der Verarbeitung als auch der Ausrüstung kontrolliert. Bei der Gesamtkonstruktion werden viele kritische Faktoren berücksichtigt, wie z. B. die Elektrolytviskosität, die Massendiffusionsrate, der Dampfdruck und die Verdampfungsrate. Unter den meisten Forschungslaborbedingungen könnte eine ausreichend lange Einweichzeit unter Vakuumbedingungen eine praktischere Lösung sein. Obwohl es keine durch veröffentlichte Daten oder Ergebnisse gestützten Beweise dafür gibt, dass Vakuumbedingungen dazu beitragen können, die Benetzungsrate des Elektrolyten zu erhöhen, kann ein vakuumversiegelter Beutel die Elektrolytverdunstung und äußere Feuchtigkeit/Verunreinigung während des Benetzungsprozesses verhindern.

Die Kontrolle der Elektrolytmenge ist ein weiterer Faktor für die Gesamtleistung der Zelle. Zellen im Beutelformat haben weniger „toten“ Raum als Zellen im Münzformat. Wie viel „toter“ oder freier Raum eine Zelle im Beutelformat hat, hängt jedoch stark vom Zellendesign ab. Im Allgemeinen verfügt eine einschichtige Pouch-Zelle immer über mehr freien Raum als eine mehrschichtige Konstruktion (z. B. >5 Schichten), während eine kleine Zelle (z. B. 0,5 Ah) mehr freien Raum hat als eine große Zelle (z. B. 30 Ah). Um zu Forschungszwecken reproduzierbare Ergebnisse bei Zellen im Beutelformat zu erhalten, sollte die Elektrolytmenge genau kontrolliert und gemessen werden. Um die genaue Elektrolytmenge zu erhalten, sind mehrere getrennte Messungen vor und nach dem Formungs-/Wiederverschließvorgang erforderlich, da der Elektrolyt während der Formierung verbraucht und beim Wiederverschließen des Beutels teilweise entfernt wird.

Der Trockenheitsfaktor, der im obigen Abschnitt allgemein besprochen wurde, muss für Zellen im Beutelformat noch einmal hervorgehoben werden. Angesichts der viel größeren Oberfläche von Elektrode und Separator sowie der viel längeren Herstellungszeit als bei Knopfzellen können die Komponenten der Pouch-Zellen während der Herstellung je nach Betriebsbedingungen mehr Feuchtigkeit und Verunreinigungen absorbieren. Daher wird dringend empfohlen, die vorgetrockneten Komponenten sofort zu verwenden und die Betriebszeit zu verkürzen, um die Auswirkungen der Feuchtigkeit zu verringern.

Im Gegensatz zur Zelle im Münzformat wird der auf die internen Komponenten in der Beutelzelle ausgeübte Druck durch das Vakuum im Inneren des Beutels und den externen Stapeldruck erzeugt. Einige frühere Berichte deuteten darauf hin, dass der externe Stapeldruck Einfluss auf die Zellimpedanz und die Stromverteilung hat und somit die Zyklenleistung in LIBs beeinflusst. Bei Li-Metall-Batterien ist der Einfluss des externen Stapeldrucks noch stärker auf die druckempfindliche Natur der Li-Ablagerungsbedingungen zurückzuführen31,32. Daher ist der Absteckdruck, der normalerweise durch die Zellbefestigung entsteht, ein weiterer entscheidender Faktor für die Zellleistung und die Datenreproduzierbarkeit. Die meisten Zellbefestigungen wurden mit unterschiedlichen Designs zur Druckregelung angepasst, da es keine kommerziell erhältlichen Produkte mit universellem Design gibt. Wie Abb. 3 zeigt, verwenden gängige Zellbefestigungen entweder ein Zwei-Platten-Design mit dazwischen angeordneter Zelle oder ein Drei-Platten-Design mit einer „schwebenden“ Platte für eine bessere Druckverteilung und -kontrolle. Bei beiden Konstruktionen werden Schrauben an den Ecken verwendet, um die Position der Platten zu fixieren. In einigen Fällen wurde der Druck durch eine bestimmte Massenbelastung der oberen Platte gesteuert. während die Mehrzahl dieser Zellbefestigungen auf dem Druck von Federn auf die Bolzen beruht, der durch das Hooksche Gesetz29 geschätzt werden kann. Diese Zellhalterungen mit Federbelastung eignen sich gut für kleine Pouch-Zellen (d. h. < 5 Ah). Bei der Herstellung und Verwendung dieser Vorrichtungen müssen jedoch zwei Parameter beachtet werden: Plattentextur und Federdruckkalibrierung. Unserer Erfahrung nach können Metalle wie Aluminiumlegierungen oder Edelstahlstrukturen für eine bessere Druckverteilung sorgen. Im Gegensatz dazu sind Kunststoff- oder Glasfaserstrukturen flexibler, die sich bei hohem Druck auf die Ecken verbiegen. Neben der Plattenbeschaffenheit sollten auch die Federn sorgfältig ausgewählt und kalibriert werden. Bei Bedarf wird eine Mehrpunkt-Druckkalibrierung an verschiedenen Stellen (wie in Abb. 4 dargestellt) empfohlen, um zusätzlich zur Federkompressionskontrolle eine bessere Druckverteilung zu erreichen. Tatsächlich kann in der Praxis die Federkomprimierung durch Messung des Plattenspalts oder direkt aus der Federlängenmessung aufgrund des Messfehlers, der Federqualität, der Plattenbeschaffenheit und der Reibung zwischen Bolzen und Plattenloch keine genaue Druckbestimmung liefern . Daher trägt die Mehrpunkt-Druckprüfung mit einem flachen Drucksensor weiter zur Genauigkeit der Druckregelung mit externer Druckversorgung bei, unabhängig vom Federtyp oder den Wägezellen.

ein Zwei-Platten-Design mit einer Batteriezelle in der Mitte zwischen den Platten; b Drei-Platten-Design mit in der Mitte zwischen zwei Bodenplatten platzierter Batteriezelle.

eine seitliche Querschnittsansicht der Zellhalterung und der Zelle, wobei empfohlene Kalibrierungsstandorte in roten Kreisen dargestellt sind; b Unteransicht der Zellhalterung und der Zelle (Bodenplatte zur besseren Übersicht nicht dargestellt) mit empfohlenen Kalibrierungsstandorten in roten Kreisen.

Beim Testen der LB-Zelle ist eine spezielle Wärmekammer mit genauer Temperaturregelung erforderlich, um eine stabile Testumgebung bereitzustellen. In frühen Studien verwenden viele Forscher „Raumtemperatur“ für das erste Screening und die Studienarbeit. Wenn man bedenkt, dass es sich beim Batteriezyklus um einen Langzeittest handelt, würde sich die Schwankung der Umgebungstemperatur auf die Gesamtleistung der Zelle auswirken, insbesondere bei temperaturempfindlichen Systemen mit Zellen im Münzformat, die einen schnellen Wärmeaustausch mit der Umgebung haben. Bei Zellen im Beutelformat ist der Wärmeaustausch mit Zellhalterungen langsamer. Daher ist eine gewisse Ruhezeit innerhalb der Wärmekammer erforderlich, um die Zelltemperatur zu stabilisieren.

Die Forschungsgemeinschaft hat die entscheidende Bedeutung der zuverlässigen Zellherstellung für die wertvolle und reproduzierbare Batteriestudie erkannt. Als gute Grundlage für den gesamten Batterieforschungsbereich sollte die Zellfertigung mehr Aufmerksamkeit von den Forschern erhalten. Wie wir in diesem Artikel besprochen haben, gibt es viele Faktoren, die einen großen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit der Zellherstellung haben. Einige davon, wie die Kontrolle der Elektrodenbeschichtungsdicke, der Trockenheit von Komponenten oder die Elektrodenausrichtung, fallen in die technische Kontrollstrategie der Fertigungsdefinition. Hinter jeder Parameterbestimmung stehen wissenschaftliche und technische Bedeutungen. Allerdings sind diese Studien zeitaufwändig, erfahrungs-/einrichtungsabhängig und nicht immer auf akademische Forschungs- und Studieninteressen ausgerichtet. Daher sind systematische Untersuchungen zu den Schlüsselparametern, die die Zellqualität und -leistung beeinflussen, im Vergleich zu zahlreichen Veröffentlichungen zu Material- oder Elektrochemiestudien im Batterieforschungsbereich noch selten.

Einerseits hoffen wir, dass sich mehr Forschungsteams mit Untersuchungen und Studien in diesem Bereich befassen können, um solide Beweise und Analysen bereitzustellen, die der gesamten Batterieforschungsgemeinschaft zugute kommen. Andererseits hoffen wir auch, dass dieser Artikel die Aufmerksamkeit der Forscher auf diese Faktoren wecken und dazu beitragen kann, die physikalischen und chemischen Parameter, die mit den Faktoren in Zusammenhang stehen, besser zu verstehen und so geeignete Prozesse, Methoden oder Lösungen zu finden, um reproduzierbare und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. basierend auf den Arbeitsbedingungen und der Leistungsfähigkeit der Anlage. Einige dieser Faktoren können mit bestimmten physikalischen Parametern verknüpft werden, die gemessen und überwacht werden können. Beispielsweise kann die Gleichmäßigkeit der Elektrodensteuerung mit der Viskosität der Aufschlämmung und der Partikelgrößenverteilung verknüpft werden, die jeweils mit einem Viskosimeter/Rheometer und einem Partikelanalysator gemessen werden können. Bei der Elektrolytvorbereitung sollte der Wassergehalt immer entweder durch Karl-Fisher-Titration oder NMR verfolgt werden. Für diese physikalischen Parameter können Forscher geeignete Geräte und Werkzeuge zur Charakterisierung im Labormaßstab auswählen. Hier empfehlen wir Forschern sogar, diese Charakterisierungsdaten zu ihrer Veröffentlichung hinzuzufügen, die nicht nur ein besseres Verständnis der Materialeigenschaften und Prozessdetails ermöglichen, sondern auch als Referenz für weitere Studien dienen.

Wenn Forscher außerdem neuartige Materialien oder Komponenten untersuchen, sollte auch die Auswahl eines geeigneten Zellformats und Zelldesigns berücksichtigt werden, die auf unterschiedliche Anwendungen abzielen. Die Eliminierung von Fehlern, die durch bestimmte Prozesse oder Komponenten verursacht werden können, ist ebenfalls eine wirksame Möglichkeit zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit. Beispielsweise zeigt eine einschichtige Zelle im Beutelformat mit sehr kleiner Elektrodenfläche in einigen Studien möglicherweise keine bessere Datenkonsistenz als eine Gruppe von Zellen im Münzformat mit Fehleranalyse, da der Herstellungsprozess komplizierter ist und die Druckkontrolle schwieriger ist.

Um die Reproduzierbarkeit der Zellherstellung in der Batteriestudie weiter zu verbessern, sollten Forschungsgruppen und Institute versuchen, mehr automatische oder halbautomatische Geräte in den Zellherstellungsprozess einzubinden, um Systemfehler durch manuelle Bedienung weitgehend zu eliminieren. Andererseits könnte es für Gerätehersteller eine Frage und Herausforderung sein, die geeigneten Instrumente im Labormaßstab herzustellen, um sowohl den technischen Anforderungen als auch den Budgetgrenzen gerecht zu werden. Darüber hinaus kann in einigen Studien die Verwendung von Elektroden aus kommerziellen Quellen oder einer geeigneten Einrichtung (z. B. Elektrodenbeschichtung in großen Mengen, Ausrüstung und Einrichtung auf Pilotebene) dazu beitragen, den Aufwand zu reduzieren und gleichzeitig eine bessere Konsistenz beim Elektrolyt-, Separator- oder speziellen Oberflächenbeschichtungsscreening zu erreichen Bewertung im Vergleich zur manuellen Herstellung der Elektrode im eigenen Haus.

In diesem perspektivischen Artikel haben wir einige Schlüsselfaktoren bei der Vorbereitung und Bewertung von LBs-Zellen besprochen. Wir hoffen, dass dieser Artikel nicht nur dazu beitragen kann, die Aufmerksamkeit der Batterieforschungsgemeinschaft auf die Auswirkungen dieser Faktoren und Parameter auf die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des Endergebnisses zu lenken, sondern auch erste Lösungen und Gedanken zur Beantwortung der Fragen bereitzustellen. Abgesehen von den erweiterten Studienbemühungen hoffen wir auch, dass es weitere Diskussionen über umfassende Zellvorbereitungs- und Bewertungsprotokolle geben wird, um Betriebsstandards und Vergleichsgrundlagen für die zukünftige Batterieforschung und -entwicklung bereitzustellen. All diese Bemühungen können dazu beitragen, die Lücke zwischen grundlegendem Studium und praktischer Anwendung der LBs-Technologie zu schließen.

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General Motors Forschungs- und Entwicklungszentrum, 30470 Harley Earl Blvd, Warren, MI, 48092, USA

Fang Dai & Mei Cai

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MC schlug die Idee vor. FD und MC diskutierten und skizzierten das Manuskript. FD führte eine Literaturrecherche durch und schrieb den ersten Entwurf. MC überarbeitete den Entwurf. Beide Autoren haben der endgültigen Fassung des Manuskripts zugestimmt.

Korrespondenz mit Mei Cai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Communications Materials dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteure: Jie Xiao und John Plummer. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Dai, F., Cai, M. Best Practices bei der Vorbereitung und Bewertung von Lithiumbatteriezellen. Commun Mater 3, 64 (2022). https://doi.org/10.1038/s43246-022-00286-8

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Eingegangen: 07. Januar 2022

Angenommen: 30. August 2022

Veröffentlicht: 09. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-022-00286-8

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