-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Aus der
JP 2010140793 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine Batterie mit einem Festkörperelektrolyten bekannt. Dabei wird eine Rückstreuung der aktiven Schicht der negativen Elektrode mittels Betastrahlen gemessen.
-
Weiterhin ist aus der
JP 2011100565 A1 ein Verfahren zur Untersuchung einer Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Dabei wird eine aktive Schicht der Elektrode mit Licht bestrahlt und eine Rückstreuung des Lichts erfasst. In Abhängigkeit der erfassten Daten wird auf eine Qualität der Elektrode geschlossen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Analyse eines elektrochemischen Energiespeichers anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei einem Verfahren zur Analyse oder Untersuchung eines elektrochemischen Energiespeichers wird mindestens eine innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers angeordnete elektrisch leitfähige Oberfläche analysiert. Erfindungsgemäß wird die mindestens eine zu analysierende elektrisch leitfähige Oberfläche aus dem elektrochemischen Energiespeicher separiert, wobei die mindestens eine separierte elektrisch leitfähige Oberfläche derart chemisch behandelt wird, dass aufgrund einer durch einen Kontakt der chemisch behandelten Oberfläche mit Umgebungsluft resultierenden chemischen Reaktion Metall-Abscheidungen auf der elektrisch leitfähigen Oberfläche für spektroskopische und/oder strahlenbasierte Untersuchungsmethoden erfassbar werden.
-
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Analyse und Untersuchung metallbasierender Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien. Durch Störprozesse im Betrieb der Batterie, z. B. bei einer inhomogenen Stromdichteverteilung beim Laden der Batterie, ist es möglich, dass im Verlauf einer Redoxreaktion zwischen den Elektroden der Batterie Metall-Ionen an der Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Schicht innerhalb der Batterie, insbesondere an der Oberfläche einer Anode, als metallisches Lithium abgeschieden werden. Dies stellt im regulären Betrieb der Batterie insbesondere dann ein hohes Gefährdungspotential dar, wenn die Metall-Abscheidungen ein dendritisches Wachstum aufweisen. Ab einer bestimmten Größe der dendritischen Metall-Abscheidungen können diese einen zwischen den Elektroden angeordneten, elektrisch isolierenden Separator beschädigen und möglicherweise perforieren, wobei das Risiko eines Kurzschlusses sehr hoch ist.
-
Da die Metall-Abscheidungen selbst üblicherweise nicht mittels allgemein bekannter spektroskopischer oder anderer strahlenbasierter Analyseverfahren erfassbar sind, wird die separierte elektrisch leitfähige Oberfläche entsprechend chemisch behandelt. Vorzugsweise wird die elektrisch leitfähige Oberfläche derart chemisch behandelt, dass im Bereich der Metall-Abscheidungen ein Metall-Alkoholat, z. B. Lithium-Alkoholat, entsteht, welches unter Einwirkung von Umgebungsluft, insbesondere durch eine chemische Reaktion des Metall-Alkoholats mit Kohlenstoffdioxid, zu einem Metallcarbonat, z. B. Lithiumcarbonat, reagiert. Das Metallcarbonat ist mittels spektroskopischer und/oder strahlenbasierter Untersuchungsmethoden erfassbar. Damit ist eine selektive Analyse der elektrisch leitenden Oberfläche insbesondere hinsichtlich der Metall-Abscheidungen möglich. Das Verfahren bietet somit die Möglichkeit den Mechanismus der Dendritenbildung zu analysieren, was für die Entwicklung zukünftiger Batterien vorteilhaft genutzt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren eine Korrelation zwischen elektrochemischen Kenngrößen sowie einer tatsächlichen Verteilung der Metall-Abscheidungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche gegenüber dem Stand der Technik verbessert zu untersuchen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
-
Dabei zeigt:
-
1 schematisch einen Verfahrensablauf für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Analyse eines elektrochemischen Energiespeichers.
-
Die einzige 1 zeigt einen Verfahrensablauf für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Analyse eines elektrochemischen Energiespeichers, umfassend vier Verfahrensschritte S1 bis S4.
-
Der elektrochemische Energiespeicher ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Lithium-Ionen-Batterie.
-
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der elektrochemische Energiespeicher vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre geöffnet. Dies erfolgt beispielsweise durch Öffnen des elektrochemischen Energiespeichers in einem Isolator oder Handschuhkasten, welcher gegenüber der Umgebung hermetisch und gasdicht abgeschlossen ist.
-
Aus dem geöffneten elektrochemischen Energiespeicher wird eine zu analysierende elektrisch leitende Oberfläche separiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist diese elektrisch leitende Oberfläche eine Oberfläche einer Anode. Die Anode ist aus einem Metall gebildet, z. B. metallisches Lithium, oder umfasst Metall-Atome, die in einem Substrat eingebettet sind. Insbesondere ist die Anode aus einer Kohlenstoffstruktur gebildet, in welcher Lithium-Atome interkaliert sind.
-
Eine notwendige Untersuchung bzw. Analyse der Anodenoberfläche ist durch möglicherweise beim Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers entstehende Metall-Abscheidungen begründet, worauf im Folgenden kurz eingegangen wird.
-
In Folge von Störprozessen im Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise bei einer inhomogenen Stromdichteverteilung während des Ladens oder bei einer besonders niedrigen Betriebstemperatur, können Metall-Abscheidungen auf den Elektrodenoberflächen und/oder Separatoroberflächen entstehen, die eine dendritische, d. h. ungeordnete, Form aufweisen. Bei einer Lithium-Ionen-Batterie ist dies auch als Lithium-Plating bekannt. Dabei scheidet sich z. B. auf der Anodenoberfläche kristallines, metallisches Lithium ab. Die Folge ist eine Reduzierung freier Lithium-Ionen und damit ein irreversibler Kapazitätsverlust des elektrochemischen Energiespeichers.
-
Da insbesondere metallisches Lithium zu einem sogenannten Dendritenwachstum neigt, ist das Risiko eines Kurzschlusses innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers signifikant erhöht, da dendritische Metall-Abscheidungen ab einer bestimmten Größe oder Ausdehnung den Separator perforieren können.
-
Die Untersuchung von elektrochemischen Energiespeichern bezüglich solcher Metall-Abscheidungen ist erschwert, da Metall und insbesondere Lithium bei bekannten spektroskopischen und/oder strahlenbasierten Untersuchungsmethoden nur unzureichend nachweisbar ist. Bekannte spektroskopische und/oder strahlenbasierte Untersuchungsmethoden sind hierbei Röntgendiffraktion, energiedispersive Röntgenspektroskopie, 3D-Laserscanning und/oder Infrarotstrahlung.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher eine Modifikation der zu analysierenden elektrisch leitfähigen Oberfläche vor, so dass Metall-Abscheidungen mittels der oben genannten spektroskopischen und/oder strahlenbasierten Untersuchungsmethoden insbesondere mit örtlicher Auflösung nachweisbar sind.
-
Dazu wird die zu analysierende elektrisch leitfähige Oberfläche in einem zweiten Verfahrensschritt S2 mit Dimethylcarbonat gewaschen und anschließend das auf der Oberfläche abgeschiedene Metall mit Isopropanol chemisch behandelt. Dabei entsteht ein Lithium-Alkoholat, welches unter Einwirkung von Umgebungsluft, insbesondere unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, zu Lithiumcarbonat reagiert. Lithiumcarbonat stellt sich hierbei als ein weißer Belag auf der elektrisch leitfähigen Oberfläche dar, welcher mittels der oben genannten spektroskopischen und/oder strahlenbasierten Untersuchungsmethoden in einem dritten Verfahrensschritt S3 zuverlässig analysierbar ist.
-
Zur Auswertung der spektroskopischen und/oder strahlenbasierten Untersuchungsmethoden werden in einem vierten Verfahrensschritt S4 die Messergebnisse z. B. in einem Diagramm dargestellt, wobei die Auswertung manuell oder automatisch mittels eines entsprechenden Rechnerprogramms erfolgt. Dabei ist sowohl eine Verteilung als auch eine Masse der Metall-Abscheidungen durch Analyse von Signalamplituden in den Diagrammen, die durch die Messwerte gebildet sind, ermittelbar.
-
Dabei ist es auch möglich beispielsweise mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie in Kombination mit einem Rasterelektronenmikroskop die gemäß dem zweiten Verfahrensschritt S2 modifizierte elektrisch leitende Oberfläche als Elementverteilungsbild darzustellen. Dieses Bild kann in Farbkanäle aufgeteilt werden, wobei diese separat betrachtet werden können. Durch entsprechende Bildverarbeitung, wie z. B. Anwendung eines Gaußschen Filters und Schwellwertangabe, ergibt sich ein schwarz-weiß Bild der Oberfläche, wobei eine Anzahl von weißen und schwarzen Pixeln ermittelt wird. Damit ist eine Quantifizierung der Metall-Abscheidungen bestimmbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2010140793 A1 [0002]
- JP 2011100565 A1 [0003]
