Entwicklung und Erprobung neuer Messgeräte und Methoden für die rationelle Optimierung von neuen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien

摘要

Hauptziel dieser Arbeit ist es, neue Methoden und Geräte für die rationelle Optimierung von Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. udMit der in Kapitel 2 beschriebenen Anlage ist es erstmalig möglich, Abkühlungs- und Aufheizkurven an einer großen Anzahl Proben gleichzeitig zu untersuchen, wodurch auch statistische Aussagen über die Fehlerverteilung erhalten werden können. Simultan zur Temperatur der einzelnen Proben kann mit dieser Anlage auch die Leitfähigkeit der Proben gemessen werden. Dadurch ergibt sich neben einer zweiten Detektionsmöglichkeit für Phasenübergänge auch ein über die Bestimmung von Flüssigkeitsbereichen weit hinausgehender Anwendungsbereich für die Anlage. Beispiele hierfür sind Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit und von Hydrolysekinetiken. Bei der Verwendung klassischer Methoden entstehen durch die große Anzahl von Messkanälen hohe Kosten; durch den Einsatz neuer Techniken können diese deutlich reduziert werden. Die Genauigkeit der Anlage wird sowohl durch Fehlerrechnung als auch experimentell bestimmt. udIn Kapitel 3 wird anhand mehrerer Phasendiagramme sowie der Bestimmung der Festpunkte von Einzelsubstanzen die Leistungsfähigkeit der in Kapitel 2 vorgestellten Anlage demonstriert. Bei diesen Messungen, die nach der herkömmlichen Methode ein Vielfaches der Zeit benötigen würden, die für eine Doktorarbeit zur Verfügung steht, können die Schmelzdiagramme hochviskoser Flüssigkeiten erstmals sehr genau bestimmt werden. Bei der eingesetzten Methode spielt die Unterkühlung eine deutlich geringere Rolle als bei Messungen mittels DTA oder DSC. Da diese die Auswertung der Daten dennoch erheblich stört, werden verschiedene Verfahren, sie zu reduzieren, untersucht. udIn Kapitel 4 wird der Einsatz der Simplexmethode zur Optimierung der Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen beschrieben. Diese geometrische Methode wurde bislang zwar für viele Optimierungen eingesetzt, nicht aber in diesem Zusammenhang, in dem bisher Trial-and�Error-Methoden vorherrschten. Ziel der Optimierung ist auch die Untersuchung neuartiger Lösungsmittelmischungen, da die dem Stand der Technik entsprechenden Elektrolytlösungen nur eine geringe Leitfähigkeit aufweisen. Durch den Einsatz von Essigsäureethylester, eines für Batterieelektrolyte untypischen Lösungsmittels, gelingt es, sowohl den Flüssigkeitsbereich in Richtung tiefer Temperaturen zu erweitern als auch die Leitfähigkeit erheblich zu steigern. Die Leitfähigkeiten aller für die Optimierung hergestellten Lösungen, werden mit der in Kapitel 2 beschriebenen Anlage ermittelt. Durch diese Messungen wird auch der Flüssigkeitsbereich über den gesamten Temperaturbereich sichergestellt. Die elektrochemische Stabilität der Lösungen wird an Modellsystemen bestimmt.udIn Kapitel 5 wird ein neuentwickeltes Batterietestsystem vorgestellt. Aufgrund seines kostengünstigen Aufbaus stellt dieses eine ernstzunehmende Alternative zu den auf dem Markt befindlichen Geräten dar. Es wurde eine Kleinserie gebaut, um die in Kapitel 6 beschriebenen Messungen in kurzer Zeit durchführen zu können. Durch zusätzliche Messeingänge, seinen flexiblen Aufbau und seine modular angelegte Steuersoftware kann dieses Gerät dank einer neu entwickelten Steuersprache auch sehr einfach für viele andere Anwendungsbereiche und Messmethoden eingesetzt werden.udIn Kapitel 6 werden die Ergebnisse der Optimierung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien bei hohen Temperaturen und Belastungen zusammengestellt. Durch Zusatz von Additiven kann die Lebensdauer bei 60 °C um den Faktor fünf gesteigert werden. Die Endkapazität der Zellen wird verdoppelt. Im Unterschied zu den in der Literatur beschriebenen Messungen wird eine große Anzahl an Additiven unter den gleichen Versuchsbedingungen untersucht. Ebenso im Gegensatz zur Literatur werden keine Modellsysteme, sondern reale Batterien verwendet. Die Resultate lassen sich dadurch sehr gut auf technische Anwendungen übertragen. Da alle Messungen unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wurden, ist es zum ersten Mal möglich, die Auswirkungen verschiedener Additive untereinander zu vergleichen. Erstmals werden die Auswirkungen von Additiven auf LiBOB-haltige Batterien untersucht.udIn Kapitel 7 werden die Ergebnisse der Untersuchungen verschiedener LiBOB-Chargen bezüglich ihrer Verunreinigungen dargestellt. Reinigungsmethoden werden auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Um Wasserspuren in LiBOB quantitativ bestimmen zu können, war es erforderlich, ein neues Verfahren zu entwickeln, da die Karl-Fischer-Titration als Standardmethode bei diesem Salz sowie bei einer Vielzahl anderer Stoffe nicht angewendet werden kann. In dieser Messmethode wird die 1H-NMR-Spektroskopie unter Zuhilfenahme einer Bezugssubstanz (Standardaddition) eingesetzt, um einen Wassergehalt im Bereich von ppm quantitativ im Salz nachzuweisen.