Die KAIST (Präsident Choongsik Bae) gab am 24. August bekannt, dass ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kang Taek Lee vom Fachbereich Maschinenbau in Zusammenarbeit mit Professorin EunAe Cho vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik einen 3D Digitalen Zwilling erstellt hat, der auf der Mikrostruktur und den Spezifikationen einer handelsüblichen Graphitanode basiert. Mithilfe des Modells analysierten die Forscher quantitativ die lokalen Degradationsmechanismen, die beim Schnellladen auftreten.
Schnellladen kann die Batterie beschädigen
Eine Lithium-Ionen-Batterie-Anode besteht aus Graphit, das Lithium speichert; einem Bindemittel, das die Graphitpartikel zusammenhält; und einem mit Elektrolyt gefüllten Porenraum, durch den sich Lithium-Ionen bewegen. Wenn eine Batterie geladen wird, wandern Lithium-Ionen in die Graphitpartikel der Anode, wo sie interkaliert und gespeichert werden. Erfolgt die Ladung jedoch zu schnell, können einige Lithium-Ionen nicht rechtzeitig in das Graphit eindringen und lagern sich stattdessen als metallisches Lithium an der Oberfläche ab – ein Phänomen, das als Li-Plating bezeichnet wird. Das ist vergleichbar mit Autos, die sich am Eingang eines Parkplatzes stauen, wenn zu viele auf einmal ankommen und nicht schnell genug hineinfahren können. Wenn dies anhält, kann dies sowohl die Batterieleistung als auch die Lebensdauer beeinträchtigen.
Während des Ladevorgangs bildet sich zudem ein dünner Schutzfilm auf der Graphitoberfläche, der als SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) bezeichnet wird. Eine ordnungsgemäß gebildete SEI-Schicht ist notwendig, doch wenn sie zu dick oder ungleichmäßig wird, kann dies die Batterieleistung beeinträchtigen. Da zudem beim Laden Lithium in die Graphitpartikel eindringt, dehnen sich diese aus und drücken gegen das umgebende Material, wodurch innerhalb der Elektrode mechanische Spannungen entstehen.
Diese Prozesse laufen gleichzeitig auf mikroskopischer Ebene ab, sodass ihre einzelnen Auswirkungen experimentell nur schwer voneinander zu unterscheiden sind. Bestehende Rechenmodelle stützten sich zudem hauptsächlich auf die durchschnittlichen Eigenschaften der Elektrode, was es schwierig machte, die komplexe innere Struktur und das ortsabhängige Verhalten innerhalb der Elektrode zu erfassen.
Nach Simulation: Foscher schlagen neue Auslegungsrichtung vor
Um dieses Problem anzugehen, erstellte das Forschungsteam einen „digitalen 3D-Zwilling“ der Batterieelektrode auf der Grundlage der Struktur einer tatsächlich im Handel erhältlichen Graphitanode. Die Forschenden rekonstruierten dreidimensional:
die Graphitpartikel,
den Binder, der die Partikel zusammenhält, und
die mit Elektrolyt gefüllten Poren, durch die sich die Lithium-Ionen bewegen.
Mithilfe dieser virtuellen Elektrode variierten die Forscher die Dicke der Elektrode, die Porosität und die Verteilung des Bindemittels und simulierten anschließend das Schnellladen, um zu analysieren, wie sich die Lithium-Ionen bewegten. Sie untersuchten außerdem, wo es zu einer Li-Abscheidung kam, wie sich der Schutzfilm bildete und welche Teile der Anode einer konzentrierten Belastung ausgesetzt waren.
Die Ergebnisse zeigten, dass sich das interne Degradationsverhalten der Anoden selbst bei ähnlichen Gesamtladekapazitäten erheblich unterscheiden konnte, je nachdem, wie das Bindemittel und der Porenraum im Inneren der Elektrode angeordnet waren.
Bei 50-Mikrometer (μm) dicken Anoden lag der Unterschied in der Ladekapazität aufgrund der Bindemittelverteilung innerhalb von 4 Prozent – was bedeutet, dass es kaum einen erkennbaren Unterschied in der Ladeleistung gab. Im Inneren der Elektrode unterschieden sich jedoch die Stellen, an denen Lithium interkaliert wurde, und diejenigen, an denen leistungsmindernde Reaktionen auftraten, deutlich voneinander.
Insbesondere wenn sich das Bindemittel in der Nähe des Separators konzentrierte, verringerte sich der für den Lithium-Ionen-Transport verfügbare Porenraum, wodurch es für Lithium-Ionen schwieriger wurde, sich durch die Anode zu bewegen. Dies ist vergleichbar damit, wie eine schmalere Straße zu Verkehrsstaus führt. In diesem Fall nahm die Li-Plattierung in der Nähe des Stromkollektors im Vergleich zur Anode mit gleichmäßig verteiltem Bindemittel um mehr als 10 Prozent zu. Umgekehrt verlief der Lithium-Ionen-Transport gleichmäßiger und der Schutzfilm bildete sich ebenfalls gleichmäßiger, wenn das Bindemittel relativ gleichmäßig über die Elektrode verteilt war.
Dieser Unterschied vergrößerte sich mit zunehmender Dicke der Elektrode. Bei 83 μm dicken Anoden vergrößerte sich der Unterschied in der Ladekapazität zwischen den beiden Bindemittelverteilungen auf etwa 18 Prozent. Dies legt nahe, dass die Herstellung dickerer Elektroden zur Speicherung von mehr Energie eine sorgfältige Planung erfordert – nicht nur hinsichtlich der verwendeten Materialmenge, sondern auch hinsichtlich der genauen Anordnung des Materials im Inneren.
Die Lage der Porenräume wirkte sich zudem auf die Belastung der Elektrode aus. Wo genügend Porenraum vorhanden war, konnte die Umgebung die Graphitpartikel aufnehmen, wenn diese sich während des Ladevorgangs ausdehnten. Wo der Porenraum unzureichend war, hatten die Graphitpartikel keinen Platz, um sich auszudehnen, wodurch sich die Belastung auf bestimmte Bereiche konzentrierte.
Im Rahmen dieser Studie schlug das Forschungsteam eine neue Auslegungsrichtung für schnellladbare Lithium-Ionen-Batterien vor: Anstatt lediglich zu betrachten, wie viel Bindemittel und Porenraum eine Elektrode enthält, sollten Forscher auch berücksichtigen, wo und wie diese verteilt sind.
3D-Zwilling zeigt interne Probleme
Der Einsatz eines digitalen 3D-Zwillinges ermöglicht es, potenzielle Probleme im Inneren einer Batterie im virtuellen Raum zu untersuchen, bevor mehrere Elektrodendesigns manuell gebaut und getestet werden müssen. Der Ansatz soll dazu beitragen, die passende Elektrodenstruktur zu ermitteln und damit die Entwicklung von Batterien voranzutreiben, die sich schneller aufladen lassen und gleichzeitig eine längere Lebensdauer aufweisen.
„Diese Forschung ist insofern bedeutend, als sie mithilfe eines digitalen 3D-Zwillinges interne Batterieprobleme aufgedeckt hat, die allein anhand der allgemeinen Ladeleistung nur schwer zu erkennen waren“, sagte Professor Lee. Er fügte hinzu, dass eine geeignete Anordnung von Bindemittel und Porenraum im Inneren der Elektrode dazu beitragen könnte, Batterien zu entwickeln, die mehr Energie speichern, schneller laden und länger halten.
