Production-related Characterization of the Thermal Transport Properties of Battery Electrodes via Laser Flash Analysis and Guarded Hot Plate Method

Lithium-Ionen Batterien sind aus mobilen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Als elektrochemische Energiespeicher werden sie jedoch hauptsächlich in Bezug auf ihre elektrochemischen Eigenschaften optimiert, während das thermische Verhalten meistens außer Acht gelassen wird.

In den vergangenen Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass die thermischen Gradienten in Batteriezellen einen wesentlichen Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit und Alterungsverhalten haben. Das zunehmende Interesse am thermischen Verhalten zeigt sich auch in der steigenden Anzahl an Publikationen, die denWärmetransport in Batterien in ihren Simulationen und Experimenten betrachten. ... mehrIn zahlreichen Studien wurden die thermischen Transporteigenschaften von Anoden, Kathoden und Separatoren untersucht, die aus kommerziellen Zellen entnommen wurden. Für eine Optimierung des thermischen Verhaltens der Batteriezellen ist es jedoch erforderlich, den Einfluss der Prozessschritte der Elektrodenproduktion zu verstehen, da diese sowohl die Mikrostruktur als auch die thermischen Transporteigenschaften der einzelnen Elektroden beeinflussen können. Bisher ist keine Studie bekannt, die sich in ausreichendem Umfang mit diesem Thema beschäftigt.

Die Elektrodenproduktion beginnt mit dem Trockenmischen der einzelnen Komponenten. Für den slurry-basierten Prozess, werden diese anschließend in einem Lösungsmittel dispergiert und das erzeugte Slurry wird auf eine Ableiterfolie beschichtet. Nach dem Trocknen der Beschichtung werden die Elektroden im Prozess des Kalandrierens auf ihre finale Dicke und Porosität komprimiert. Ein alternativer Prozessweg der Elektrodenproduktion besteht im Trockenprozessieren. Dabei wird die trockene Pulvermischung zwischen zwei erhitzten Walzen komprimiert und dadurch direkt und ohne den Gebrauch von Lösungsmittel auf die Ableiterfolie beschichtet.

MitAusnahme des Trockenmischenswerden alle genannten Produktionsschritte in der vorliegenden Arbeit behandelt und bezüglich ihres Einflusses auf die thermischen Transporteigenschaften der Elektrodenbeschichtungen untersucht. Zudem werden verschiedene Arten und Partikelgrößen des Aktivmaterials verglichen. Die Ergebnisse zeigen keinen wesentlichen Einfluss der Produktionsparameter beim Mischen und Trocknen auf. Eine erhöhte Beschichtungsdicke weist eine Tendenz zu einer geringeren Wärmeleitfähigkeit auf, was mit der stärkeren Bindermigration erklärt werden kann. Der stärkste Einfluss auf die thermischen Transportparameter zeigt sich beim Kalandrieren. Ein höherer Kalandriergrad führt zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung. Ein positiver Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit kann auch für eine zunehmende Größe der Aktivmaterialpartikel beobachtet werden.

Darüber hinaus wird in der Arbeit ein Vergleich der Laser-Flash-Analyse (LFA) und der Zwei-Platten-Methode (engl. Guarded Hot Plate Method, GHP) durchgeführt, welche dieamhäufigsten verwendetenVerfahren zurMessung derWärmeleitfähigkeit von Batterieelektroden sind. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit, die zudem mit dem Kalandriergrad variieren. Die LFA weist allgemein höhere gemessene Wärmeleitfähigkeiten auf als die GHP Methode. Eine detaillierte Analyse möglicher Fehlerquellen beider Methoden liefert Empfehlungen für ihre Anwendbarkeit und gibt Hinweise auf die wahren Werte der Wärmeleitfähigkeit.

Als erste umfassende Studie zu diesem Thema, bildet die vorliegende Arbeit die Grundlage für die angemessene Berücksichtigung des thermischen Verhaltens bei der ganzheitlichen Auslegung von Batterieelektroden.

Lithium-ion batteries have become indispensable for mobile applications. As electrochemical storage devices, they are primarily designed with regard to their electrochemical properties, while the thermal behavior is usually of secondary interest.

However, it was shown in recent years that the thermal gradients in batteries have a significant influence on their performance and aging. Consequently, an increasing number of research groups consider the thermal transport in their model and experiments. There are now numerous studies that investigated the thermal transport properties of the different battery components extracted from commercially produced cells, including both anodes and cathodes as well as separators. ... mehrFor an optimization of the thermal transport behavior of the batteries, it is crucial to understand the impact of the process steps of electrode production as these define the microstructure and thermal transport properties of the single electrodes. Hitherto, there is now study known to the author that covers this topic in an adequate manner.

The electrode production process starts with the dry mixing of the components. For the slurry-based processing route, these are then dispersed in a solvent and the obtained slurry is coated onto a current collector foil. After the subsequent drying of the coating, the electrodes are compressed to their final thickness and porosity in the so-called calendering step. An alternative processing route is the dry manufacturing, where the dry mixture is coated onto the current collector by compression between two heated rolls without the use of any solvent.

With the exception of the dry mixing, all the mentioned production steps are investigated in the present work with respect to their impact on the thermal transport properties of the electrode coatings. Moreover, different active material types and particle sizes are compared. The results show no significant impact of the production parameters varied during mixing and drying. An increased coating thickness shows a tendency towards lower thermal conductivity values, potentially caused by binder migration. The most pronounced influence is found for the calendering step. Ahigher degree of calendering results in a higher thermal conductivity of the coating. A positive influence on the thermal conductivity can also be seen for an increased size of the active material particles.

Furthermore, a comparison of the laser flash analysis (LFA) and the guarded hot plate method (GHP) as most common measuring methods for the thermal transport properties of battery electrodes is conducted. The results show significant differences that vary in their extent for the differently calendered electrodes. Generally, the LFA leads to higher measured thermal conductivity values than the GHP method. An in-depth analysis of potential error sources for both methods provides recommendations for their applicability and gives insight on the true values of the thermal conductivity.

Being the first of its kind, this study forms the basis for the consideration of the thermal behavior during the holistic design of battery electrodes.