Lithium-Ionen-Batterien sind die dominierenden wiederaufladbaren Batterien auf dem heutigen Markt.  Sie kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz, darunter in der Unterhaltungselektronik, in Elektrofahrzeugen und in Industrieanlagen. Angesichts der enormen Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren liegt der Schwerpunkt der Forschung im Bereich der Batterietechnologie auf der Verbesserung der Lebensdauer, Leistung und Sicherheit dieser Batterien.   

Ein wichtiger Forschungsbereich sind Verbesserungen bei der Elektrodenverarbeitung und -herstellung.  Konkret haben sich zahlreiche Forscher:innen auf die Optimierung des Elektrodenherstellungsprozesses konzentriert, bei dem die aktiven festen Kathoden- oder Anodenpartikel mit Bindemitteln, Zusatzstoffen und Lösungsmitteln gemischt werden, was zu einem sogenannten Slurry mit komplexen, nicht-newtonschen Fließeigenschaften führt. Für eine effiziente Verarbeitung dieser Slurries ist die Kenntnis der Fließeigenschaften, auch rheologische Profile genannt, von großer Bedeutung..   

Ein ausführliches Verständnis der Rheologie des Slurries ermöglicht eine bessere Kontrolle der Lagerstabilität der gegen Sedimentation, der Pumpfähigkeit und der Transportfähigkeit sowie der Fähigkeit, gleichmäßige, fehlerfreie Filme mit höherem Auftragsgewicht zu bilden. Durch diese Messungen lassen sich die Prozesse optimieren und Forscher:innen können aussagekräftige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ableiten, wenn sie neue Materialien entwickeln, die die Grenzen der Batterieleistung erweitern. Die nachfolgenden Studien beleuchten die Arbeit führender Forscher:innen, die die Rheologie zur Verbesserung der Entwicklung, Handhabung und Verarbeitung von Batteriematerialien einsetzen.  

Alle Lithium-Ionen-Batterien benötigen eine Beschichtung der Kathode mit einem Slurry. In der modernen industriellen Batterieherstellung werden Kathoden mit Hilfe von Schlitzdüsen beschichtet, wobei ein Schlitzdüsenkopf die Kathode gleichmäßig mit einer glatten, gleichmäßigen Schicht des Slurries beschichtet. Da der Bedarf an einer schnelleren und effizienteren Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien wächst, haben die Forscher Hawley und Li vom Oak Ridge National Laboratory und der University of Tennessee versucht, die Beschichtung von Schlitzdüsen zu beschleunigen, indem sie die Temperatur erhöhten, um die Viskosität eines Kathodenslurries zu verringern.1 Eine geringere Viskosität des Slurries führt zu einer maximalen Beschichtungsgeschwindigkeit und minimalen Unregelmäßigkeiten wie Lufteinschlüsse und Dickenschwankungen. Das Team nutzte ein Discovery Hybrid Rheometer (DHR) von TA Instruments und stellte fest, dass eine Erhöhung der Temperatur des Slurries von 25 °C auf 75 °C die Viskosität bei 60 °C um 23 % reduzierte, was zu einer potenziellen Erhöhung der Beschichtungsgeschwindigkeit um etwa 14 % führte, was sich in schnelleren Elektrodenproduktionsraten niederschlägt, während gleichzeitig „eine vergleichbare Kapazitätserhaltung während langfristiger Zyklen und Entladetests mit hoher Rate beibehalten wird”. Die Fließspannung und der Gleichgewichtsspeichermodul des Slurries stiegen zwischen 25 °C und 60 °C monoton an, „wodurch sich der zusätzliche Vorteil einer höheren Sedimentationsbeständigkeit der aktiven Materialien ergab“.

Bei Feststoffbatterien bzw. All solid-state batteries handelt es sich um eine neue Konfiguration mit festen Elektroden und einem festen Elektrolyten an Stelle der herkömmlichen flüssigen oder Polymergel-Elektroden und Elektrolyten. Forschende aus den Abteilungen Maschinenbau, Materialwissenschaften sowie Chemie- und Biomolekulartechnik der Vanderbilt University untersuchten die Tintenformulierung für die Verbundwerkstoff-Elektroden in All solid-state Batteries (ASSBs).2 Die skalierbare Herstellung dieser Elektroden hängt von der Entwicklung einer Tinte ab, die das feste Material der Elektrode, das Bindemittel und das Lösungsmittel kombiniert. Bei der Tintenentwicklung werden die Rheologie, das Aggregationsverhalten und die Stabilität der Tinte für den gewünschten Beschichtungsprozess optimiert, was zu einer verbesserten Leistung der Elektroden in ASSBs führt.  

Das Vanderbilt-Team von Shen, Dixit, Zaman, Hortance, Rogers und Hatzell nutzte ein Discovery Hybrid Rheometer von TA Instruments, um verschiedene Kombinationen von Lösungsmitteln und Bindemitteln zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass Terpineol-Lösungsmittel und Polyvinylbutyral (PVB)-Bindemittel, eine weniger verbreitete Kombination in der Batterieindustrie, „eine verbesserte Benetzbarkeit und Haftung an der Festkörper-Grenzfläche“ sowie “eine verbesserte dynamische Oberflächenspannung und Rheologie, die zu einer verbesserten Elektroden- und Kapazitätsleistung führt“, bieten. Rheologische Messungen halfen ihnen, diese ideale Kombination zu ermitteln. Die Rheologie ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Elektrodentinten für die Herstellung und die Bestimmung der zulässigen Prozessbedingungen. 

Die Forscher:innen Khakani, Verdier, Lepage, Rochefort, Prébé, Aymé-Perrot und Dollé vom Fachbereich Chemie an der Universität Montreal, Hutchinson und Total SA verfolgten einen anderen Ansatz, um die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterieelektroden zu rationalisieren, und entwarfen ein lösungsmittelfreies Verfahren, das umweltverträglicher und kostengünstiger ist.3 Ihr Trockenverfahren verwendet ein polymeres Verarbeitungshilfsmittel und umgeht die herkömmlichen Probleme der lösungsmittelbasierten Nasselektrodenverarbeitung. Ihre Trockenbeschichtung musste eine homogene Mischung mit ausreichender Viskosität sein, um die Elektrode gleichmäßig zu beschichten. Mit Hilfe eines Discovery Hybrid Rheometers (DHR) von TA Instruments konnten die Forscher:innen ihre Mischung optimieren und den Bereich der Scherkräfte bestimmen, die zum Auftragen der Mischung erforderlich sind. Die resultierende Mischung wies ideale viskoelastische Eigenschaften auf und erwies sich in Vollzellentests als erfolgreich, wodurch der Weg für eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Batterieherstellung geebnet wurde.  

Zwar verwenden die meisten handelsüblichen Batterien flüssige organische Elektrolyte, doch sind diese organischen Lösungsmittel entflammbar und nicht für alle Anwendungen geeignet. Feste Polymerelektrolyte (solid polymer electrolytes, SPEs) werden als eine sicherere Alternative mit geringerer Entflammbarkeit und verbesserten mechanischen Eigenschaften erforscht, die zur Unterdrückung der Dendritenbildung beitragen können.  

Brian Jing und Christopher Evans von der University of Illinois in Urbana-Champaign entwickelten SPEs aus Polymernetzwerken mit dynamischen kovalenten Vernetzungen, welche die Sicherheit und Leistung des Elektrolyten auf nachhaltige und wiederverwertbare Weise verbessern.4 Sie entwickelten Poly(ethylenoxid)-(PEO)-Netzwerke und untersuchten die Auswirkung von LiTFSI-Salz auf deren Übergangstemperatur.  

Ein entscheidender Aspekt für die erfolgreiche Entwicklung von Materialien für Batterien ist das Verständnis des Verhaltens des Materials bei verschiedenen Temperaturen. Dies ist bei Materialien auf PEO-Basis noch wichtiger, da der Modul während der Erwärmung stark abfallen kann. Jing und Evans verwendeten ein Discovery Hybrid Rheometer von TA Instruments, um die Änderungen des Moduls ihrer PEO-basierten SPE mit der Temperatur zu bestimmen. Sie beobachteten, dass das Material bei höheren Temperaturen zwar weicher und fließfähiger wurde, der Schermodul des resultierenden Materials jedoch über 1 MPa lag. Dies ist eine bedeutende Errungenschaft, da ein hoher Modul dieser Materialien möglicherweise dazu beitragen könnte, die Dendritenbildung bei den hohen Endtemperaturen der Batterien zu unterdrücken, während die Netzwerkchemie eine hohe Leitfähigkeit gewährleistet.   

Der Einsatz von Boronsäureestern zur Bildung dynamischer kovalenter Vernetzungen ermöglichte es ihnen außerdem, den Elektrolyten innerhalb von 30 Minuten in reinem Wasser aufzulösen und die Rohmonomere zu gewinnen. Die Elekrolyte zeigen auch eine Selbstheilung bei mechanischen Beschädigungen und behalten dabei >95 % ihrer leitfähigen und mechanischen Eigenschaften, was die derzeitigen Bemühungen der Industrie um wiederverwertbare und wiederaufbereitbare Materialien für nachhaltigere Batterien weiter unterstützt.  

Diese Forschungsbeispiele zeigen, dass die hohe Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien weltweit an die Grenzen der Fertigung stößt, so dass es umso wichtiger ist, bereits bei der Materialentwicklung über eine Prozessoptimierung nachzudenken. Im Zuge der rasanten Innovation arbeiten Labore weltweit an der Entwicklung von Batterien mit dem richtigen Gleichgewicht zwischen Leistung und Sicherheit. Die oben aufgeführten Beispiele zeigen, dass die Rheologie eine wichtige Technik im Messinstrumentarium eines Forschungslabors ist, um sicherere und leistungsfähigere Batterien zu entwickeln und effizient herzustellen. Die treibenden Faktoren der Batterieforschung – schnellere Herstellung, verbesserte Sicherheit, überlegene Endverbrauchereigenschaften – werden nicht verschwinden. Batterieforscher:innen können von den Erfolgen anderer lernen und deren Techniken übernehmen, auf dem Weg die Batterieproduktion und -produkte weiter zu verbessern.   

TA Instruments ist stolz darauf, diese Bemühungen mit seinen branchenführenden Rheometern zu unterstützen, die eine unvergleichliche Messgenauigkeit bieten und gleichzeitig ein hohes Maß an Vielseitigkeit mit zahlreichem Zubehör und eine nahtlose Benutzerfreundlichkeit gewährleisten. Besuchen Sie unsere Seite über die Prüfung von Batteriematerialien, um mehr über die Instrumente zu erfahren, mit denen die Batterien von morgen erforscht werden. Laden Sie unsere Broschüre über Batterietests herunter, um noch mehr über die besten Testverfahren zu erfahren, und wenden Sie sich an unsere Experten, um sich über die besten Geräte für Ihr Labor zu informieren.