Das Batteriesystem – Bauplan eines Erfolgsmodells

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Dünnere Separatoren für höhere Energiedichten

Wie bereits erwähnt, werden derzeit in erster Linie Separatoren aus Polyolefinen, die zum Teil mit keramischen Partikeln stabilisiert sind, in kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen verwendet. Der Trend geht hierbei in Richtung dünnerer Separatoren (< 20 μm) für die Entwicklung hochenergiereicher Zellen. In Feststoffzellen soll der klassische Separator komplett durch eine sehr dünne Lage aus Festelektrolyten ersetzt werden. Dadurch könnte zusätzliche Energiedichte gewonnen werden.

Breites Entwicklungsfeld im Bereich Elektrolyte

Als Elektrolyte werden in heute verfügbaren Lithium-Ionen-Zellen für den Automobilbereich Lösungsmittel wie organische Carbonate eingesetzt, in denen ein Leitsalz gelöst ist. Diese Komponenten bestimmen die Haupteigenschaften des Elektrolyten, so etwa die Ionenleitfähigkeit. Geringe Mengen an Additiven können die Anpassung an die Zellchemie der Lithium-Ionen-Zelle noch verbessern.

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Derzeit wird an neuartigen Elektrolytformulierungen für Hochenergieaktivmaterialien gearbeitet, wobei wesentliche Herausforderungen, unter anderem die elektrochemische Stabilität über 4,2 Volt, im Wege stehen. Gleichzeitig wird massive Forschung auf dem Gebiet der Festelektrolyte für eine Feststoffzelle mit hoher Zellenergie betrieben.

Das große Problem von reinen Festelektrolyten ist ihre geringere Leitfähigkeit im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten. Aus diesem Grund werden zunächst noch teilflüssige Konzepte mit beispielsweise ionischen Flüssigkeiten erprobt. Zwar werden automotive Anforderungen bislang nicht erfüllt, jedoch haben Feststoffzellen grundsätzlich ein großes Potenzial.

Drei gängige Formen der Elektroden-Separator-Anordnung

Für die Elektroden-Separator-Anordnung in Lithium-Ionen- Zellen gibt es drei verschiedene Varianten: runde Wickel, prismatische Wickel oder Stapel (siehe Abbildungen auf der linken Seite). Diese werden in der Regel in runde oder prismatische Hartgehäuse sowie Verbundfoliengehäuse eingefügt. Im Fall von runden Wickeln ist ein homogener Kontakt zwischen den Elektroden und dem Separator gewährleistet.

Ihr großer Nachteil besteht darin, dass durch die Rundungen eine hohe mechanische Belastung auf die Elektroden ausgeübt wird. Überdies weist die runde Elektroden-Separator-Anordnung eine ungünstige Wärmeverteilung von innen nach außen auf. Die gute Zell-Innen-Raumerfüllung dieses Bautyps ermöglicht aber hohe Energiedichten. Häufig werden zylindrische Zellen im sogenannten 18650-Format gefertigt.

Im Gegensatz zu runden Wickeln tritt bei prismatischen Wickeln in der Summe weniger mechanischer Stress der Elektroden auf. Darüber hinaus ist eine bessere Temperaturverteilung gegeben. Die Zell-Innen-Raumerfüllung ist aufgrund der Gehäuseecken allerdings geringer als bei zylindrischen Zellen. Eine häufig verwendete Variante im Automobilbereich ist die sogenannte PHEV2-Hartgehäusezelle.

Bei der gestapelten Elektroden-Separator-Anordnung herrscht die geringste mechanische Belastung der Elektroden. Außerdem ist die Wärmeverteilung gleichmäßig und der Kontakt zwischen Elektroden und Separator homogen. Die Zell-Innen-Raumerfüllung ist wegen des Separatorüberstandes etwas geringer als beim runden Wickel. Zudem ist die Fertigungsgeschwindigkeit langsamer als beim Wickeln. Die rechts stehende Abbildung zeigt eine Verbundfolien-Zelle mit einer gestapelten Elektroden-Separator-Anordnung für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.

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