Drying influence on binder distribution in electrodes for Lithium ion batteries - Mechanistic insight into the progress of component distribution
Final Report Abstract
Das hier vorgestellte Projekt befasste sich mit dem Einfluss der Trocknung auf die Binderverteilung in Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien. Ziel war es mechanistische Einblicke in den zeitlichen Verlauf der Komponentenanordnung zu erlangen. In diesem Projekt sind unterschiedliche Versuchsanordnungen zur Anwendung gekommen, mit denen der Trocknungsverlauf von Batterieelektrodenschichten unter definierten Trocknungsrandbedingungen abgebildet und analysiert werden konnte. Dabei sollte durch ein tiefgehendes Verständnis des Trocknungsprozesses, also der Lösemittelentfeuchtung, ein Rückschluss auf die sich einstellende Binderverteilung gezogen werden. Hierfür wurde zunächst ein Vergleich zwischen einem Reflektometeraufbau, welcher die Oberflächenrauigkeit und einem Linienlaser, welcher die Filmschrumpfung aufnimmt, gezogen. Hierbei zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Daten zur Filmschrumpfung und der Erwartungshaltung, aber eine Diskrepanz zwischen Erreichen eines Endplateaus zwischen Filmschrumpfungs- und Photospannungsdaten. Anhand der hier untersuchten Daten ist davon auszugehen, dass bereits vor dem Erreichen der Filmschrumpfung ein Zurückziehen der Lösemittelmenisken in den interpartikulären Raum stattfindet, sodas sich die optischen Eigenschaften nicht mehr ändern. Anhand von Messungen bei unterschiedlichen Binderanteilen konnte die grundlegende Eignung des Messverfahrens bestätigt werden, da Sedimentationseffekte bei Filmen ohne stabilisierenden Binder gemessen werden konnten. Eine Konsolidierungslage an Partikeln während der Filmschrumpfung konnte weder in diesem Versuch noch mittels Kryo-REM-Aufnahmen nachgewiesen werden. Entsprechend ist davon auszugehen, dass dieser Effekt bei den untersuchten Stoffsystemen nicht auftritt. Ein weiterer Versuch, welcher mithilfe von UV-aktiven Tracerpartikeln durchgeführt wurde, lieferte ergänzend wertvolle Einblicke in das Entfeuchtungsverhalten. Hier zeigte sich eine eindeutige Korrelation zwischen farblichem Verlauf, welcher für den Anteil lösemittelgefüllter Oberflächenporen steht, und dem Fortschreiten der Filmschrumpfung. Weiterhin stimmte der aus dem Versuch abgeleitete Zeitpunkt des Beginns der Porenentleerung mit dem ersten charakteristischen Zeitpunkt überein, welcher mit einem weiteren Versuchaufbau ermittelt wurde: Dabei wird der nasse Elektrodenfilm während des Trocknungsvorganges zunächst schnell, dann langsam getrocknet. Hierbei zeigte sich, dass die Haftkraft, stellvertretend für die Binderverteilung, bis zu einem gewissen Zeitpunkt nicht negativ von einer hohen Trocknungsrate betroffen ist. Dieser Zeitpunkt ist der „erste charakteristische Zeitpunkt“. Entsprechend der aufgestellten Modelle ist davon auszugehen, dass es sich hierbei um den Beginn der Porenentleerung handelt, wobei große Kapillaren auf Kosten der kleineren entleert werden und Lösemittel sowie Binder und Leitruß durch kapillare Feuchteleitung zur Filmoberfläche transportiert werden. Diese Annahme bestätigt sich durch den Kryo-REM-Versuch, in welchem Elektroden definiert getrocknet, aus dem Trockner entnommen und direkt eingefroren wurden. So konnten mehrere Schichten zu unterschiedlichen Trocknungszeitpunkten präpariert und anhand von Querschnittsbildern analysiert werden. Hier zeigt sich eine Bestätigung der Modellvorstellung mit einer gleichmäßigen und konstanten Filmschrumpfung und einer anschließenden kapillaren Entfeuchtung des Porenraums. Zusätzliche EDX-Analysen der aufgenommenen Kryo-REM-Bilder weisen einen Bindergradient zwischen Substrat und Filmoberseite nach, welcher sich insbesondere ab dem Beginn der Porenentleerung ausbildet. Weiterhin sind geringe Anteile an abgetrennten Flüssigkeitsclustern zu beobachten, die für eine finale Entfeuchtung ohne kapillare Anbindung sprechen und sich nicht mehr negativ auf die Binderverteilung auswirken, da das Lösemittel innerhalb des Poreninnenraums in die Gashase übergeht. Die Versuche ergänzen sich zur einer Modellvorstellung der Trocknung, welche die Ausbildung einer Binderverteilung während der Trocknung erklären kann.
Publications
- (2015): Delamination behavior of lithium-ion battery anodes. Influence of drying temperature during electrode processing. In: Drying Technology 34 (4), S. 462–473
Baunach, M.; Jaiser, S.; Schmelzle, S.; Nirschl, H.; Scharfer, P.; Schabel, W.
(See online at https://doi.org/10.1080/07373937.2015.1060497) - (2016): Development of a three-stage drying profile based on characteristic drying stages for lithium-ion battery anodes. In: Drying Technology 35 (10), S. 1266–1275
Jaiser, Stefan; Friske, Anatolij; Baunach, Michael; Scharfer, Philip; Schabel, Wilhelm
(See online at https://doi.org/10.1080/07373937.2016.1248975) - (2016): Investigation of film solidification and binder migration during drying of Li-Ion battery anodes. In: Journal of Power Sources 318, S. 210–219
Jaiser, Stefan; Müller, Marcus; Baunach, Michael; Bauer, Werner; Scharfer, Philip; Schabel, Wilhelm
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.04.018) - (2017): Experimental investigation into battery electrode surfaces: The distribution of liquid at the surface and the emptying of pores during drying. In: Journal of colloid and interface science 494, S. 22–31
Jaiser, Stefan; Funk, Lena; Baunach, Michael; Scharfer, Philip; Schabel, Wilhelm
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.01.063) - (2017): Film Formation of Lithium-Ion Battery Graphite Anodes during Drying - The Interrelation of Process, Microstructure and Properties
Jaiser, S.
- (2017): Impact of drying conditions and wet film properties on adhesion and film solidification of lithium-ion battery anodes. In: Drying Technology 35 (15), S. 1807–1817
Jaiser, Stefan; Sanchez Salach, Nicolas; Baunach, Michael; Scharfer, Philip; Schabel, Wilhelm
(See online at https://doi.org/10.1080/07373937.2016.1276584) - (2017): Microstructure formation of lithium-ion battery electrodes during drying – An ex-situ study using cryogenic broad ion beam slope-cutting and scanning electron microscopy (Cryo-BIB-SEM). In: Journal of Power Sources 345, S. 97–107
Jaiser, Stefan; Kumberg, Jana; Klaver, Jop; Urai, Janos L.; Schabel, Wilhelm; Schmatz, Joyce; Scharfer, Philip
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.01.117)
