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Formierungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien: Review-Paper gibt systematischen Überblick und benennt wesentliche Einflussfaktoren

Kapazität, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batteriezellen hängen stark von ihrer Formierung ab. Der zeitaufwändige Prozessschritt der Batterieproduktion trägt nicht nur signifikant zum Energieverbrauch während der Zellproduktion bei, sondern auch zu den Gesamtkosten der Batterie. Trotz der entscheidenden Bedeutung ist das Verständnis des letzten Produktionsschrittes von Lithium-Ionen-Batterien aufgrund vieler Einflussfaktoren noch unvollständig. Ein kürzlich veröffentlichtes kollaboratives Paper von Batterieforschern der Universität Bayreuth, der TU Braunschweig, des MEET-Batterieforschungszentrums der Universität Münster, des PEM-Lehrstuhl der RWTH Aachen, der TU München und der Fraunhofer FFB mit dem Titel »Lithium-ion battery cell formation: status and future directions towards a knowledge-based process design« wirkt dem entgegen. Es beleuchtet die kritische Rolle des Formierungsprozesses bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen.

Der Formierungsprozess erweist sich als hochkomplex – seine Erforschung fordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Experiment- und Simulationsexperten verschiedener Fachrichtungen.

© Fraunhofer FFB
Bis zur fertigen Batterie durchläuft diese viele einzelne Stationen. Alles beginnt mit der Elektrodenfertigung, es folgt die Assemblierung bis schließlich die Batteriezelle bei der Zellfinalisierung zum ersten Mal Be- und Entladen wird.
© F. Schomburg, B. Heidrich, S. Wennemar, R. Drees, T. Roth, M. Kurrat, H. Heimes, A. Jossen, M. Winter, J. Y. Cheong and F. Röder, Energy Environ. Sci., 2024.
Schematischer Überblick über den Bildungsprozess und das Manuskript.

Das lässt sich an der sogenannten SEI-Schicht veranschaulichen. Die Solid-Electrolyte-Interphase ist eine dünne Schicht, die sich während der Formierung an der Oberfläche des Elektrodenmaterials bildet. Sie dient als Schutz zwischen dem Elektrolyten und der Elektrodenoberfläche und trägt wesentlich zur Stabilität und Funktionalität der Batterie bei. Um die SEI-Bildung zu verstehen, bedarf es einer präzisen Charakterisierung von Batteriematerialien. Im Paper wird hervorgehoben, dass Material- und Zelldesign sowie der Formierungsprozess miteinander verflochten sind und nicht isoliert betrachtet werden sollten. So beeinflussen beispielsweise die Oberflächeneigenschaften des aktiven Batteriematerials die Bildung der SEI-Schicht. Eine gezielte Oberflächenbehandlung kann deshalb zu einer Verbesserung des Lade- und Entladezyklus führen.

Simulationen werden zur Analyse von Formierstrategien eingesetzt, um ein besseres Verständnis für molekulare Dynamiken zu gewinnen. Um verschiedene Längen- und Zeitskalen in einem Batteriesystem zu berücksichtigen, werden oft Multiskalenmodelle verwendet. Diese integrieren Informationen von der atomaren bis zur makroskopischen Zellebene.

Dieser hohe Experimentier- und Simulationsaufwand erschwert eine umfassende Optimierung. Deshalb bietet das Paper einen systematischen Überblick über den Formierungsprozess und seine Einflussfaktoren. Darin werden vielversprechende experimentelle und simulative Methoden vorgestellt, um das notwendige Verständnis für eine wissensbasierte Gestaltung des Formierungsprozesses zu gewinnen. Dabei werden auch Forschungslücken identifiziert und eine Perspektive für die Entwicklung maßgeschneiderter Formierungsprozesse für aktuelle und zukünftige Batterietechnologien aufgezeigt. Diese Kooperation unterstreicht die Wichtigkeit der interdisziplinären Zusammenarbeit für die Fortschritte in der Batterieforschung.

Erschienen im Fachjournal »Energie & Environmental Science«, 2024. Jetzt open Access lesen unter:

Autoren: Felix Schomburg, Bastian Heinrich, Sarah Wennemar, Robin Drees, Thomas Roth, Michael Kurrat, Heiner Heimes, Andreas Jossen, Martin Winter, Jung Young Cheong, Fridolin Röder.

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