Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Wasserstoff-Brennstoffzellen (HFCs) treiben den Wandel hin zu sauberer Energie voran, sie versorgen alles vom Elektrofahrzeug bis hin zu industriellen Anwendungen mit Strom. Diese Technologien sind entscheidend für die Bereitstellung nachhaltiger Elektrizität.
Die weltweite Nachfrage nach Batterien steht vor einem rasanten Anstieg. Bis 2030 wird erwartet, dass sich diese Kapazität mehr als verzehnfacht – auf über 2 Milliarden Haushalte. Dieser enorme Anstieg wird durch den wachsenden Bedarf an Energiespeicherung in privaten Fahrzeugen, Nutzfahrzeugen und dem öffentlichen Nahverkehr angetrieben. Die Erforschung und Entwicklung von Batteriematerialien ist wichtiger denn je.
Trotz technologischer Fortschritte stehen Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen weiterhin vor Herausforderungen wie Sicherheits- und Nachhaltigkeitsfragen, begrenzter Kapazität, langen Ladezeiten und der Rohstoffgewinnung. Im Fokus der Forschung stehen neue Materialkonfigurationen mit höherer Ladungsdichte, optimierter thermischer Stabilität sowie besserer Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Die Entwicklung der nächsten Generation von Energiespeichern wächst dynamisch – allein 2023 überstiegen die Investitionen in Batteriespeicher 36 Milliarden US-Dollar.
Ein Großteil der technologischen Entwicklungsarbeit besteht darin, bestehende Materialien durch kleine, aber bedeutende Modifikationen zu optimieren. So experimentieren Forscher beispielsweise mit verschiedenen Lithium-Übergangsmetalloxiden für Batteriekathoden, wobei der Fokus auf der Nanostruktur dieser Materialien und der Verbesserung ihrer Herstellungsverfahren liegt.
Ein weiterer Schwerpunkt besteht darin, kleine Veränderungen vorzunehmen und zu untersuchen, wie sich diese auf die grundlegenden Materialeigenschaften auswirken. Genau hier kommt die thermische Analyse (TA) zum Einsatz.
Die thermische Analyse umfasst viele Methoden, bei der unterschiedliche Materialeigenschaften primär in Abhängigkeit der Temperatur erfasst werden. Zum Beispiel:
Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) misst den Wärmestrom, um wichtige Materialeigenschaften wie Glasübergang, Schmelzpunkt, Kristallisation, Wärmekapazität, Kristallinität und thermische Stabilität zu bestimmen – von entscheidender Bedeutung für Separatoren und Elektrolyte.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) liefert Informationen über Feuchtigkeitsgehalt, Rückstände von Lösungsmitteln, die Anzahl der bei bestimmten Temperaturen freigesetzten Komponenten sowie die thermische Stabilität in inerten und oxidativen Umgebungen – wichtige Daten für verschiedene Batteriekomponenten
Beispiel für DSC zur Untersuchung exothermer Reaktionen von Batteriebestandteilen
Die untenstehenden Grafiken zeigen, wie DSC genutzt wird, um die thermische Stabilität von Elektrolyt- und Kathodenmaterialien durch Messung ihres exothermen Verhaltens zu bestimmen.
Beispiel für STA mit Real View® zur Bestimmung der thermischen Stabilität eines Separators
Real View® ist ein Kamerasystem, das bei den thermischen Analysegeräten von Hitachi integriert ist. Es verknüpft eine visuelle Probenbeobachtung mit dem Thermogramm und liefert so vielfältige Erkenntnisse.
Die thermische Stabilität eines reinen Polyethylen-Separators wurde mittels STA untersucht, wobei eine einzelne thermische Zersetzung bei 450 °C festgestellt wurde. Aufgrund der geringen Probenmasse (0,056 mg) traten geringfügige Baseline-Schwankungen auf. Real View®-Aufnahmen bestätigten, dass diese durch das Verrutschen und die Formänderung des Materials in der Probenschale während der Messung verursacht wurden.
Beispiel für TMA zum Vergleich der thermischen Ausdehnung verschiedener Separatoren
Die TMA-Thermogramme zeigen die thermische Ausdehnung verschiedener Separatoren, die unter Zugspannung gemessen wurden. Der reine Polyethylen-Separator (grün) weist die größte Ausdehnung und Schrumpfung auf, während der mit Aluminiumoxid beschichtete Separator (rot) die geringste zeigt. Der mit Aramid beschichtete Separator (blau) besitzt die höchste Schrumpftemperatur, was auf eine bessere Formstabilität im Vergleich zu den beiden anderen hinweist.
Prüfung auf Materialverunreinigungen
Das Vorhandensein bestimmter Verunreinigungen kann Forschungsergebnisse verfälschen, was zu inkonsistenten Resultaten und ungewöhnlichem Materialverhalten führt. Die thermische Analyse kann aufzeigen, ob in Polymerproben Fremdmaterialien vorhanden sind. Da die thermischen Eigenschaften dieser Materialien wie ein Fingerabdruck wirken, liefert sie präzise Informationen darüber, um welche Materialien es sich handelt.
Fortschritte in der Batteriematerialforschung sind zentral für eine nachhaltige Energiezukunft. Thermische Analyse ermöglicht die Entwicklung leistungsfähiger, sicherer und effizienter Materialien, liefert tiefe Einblicke in das Materialverhalten und optimiert so Qualität, Prozesse und Kosten. Investitionen in moderne Analysegeräte fördern Innovation und sichern Wettbewerbsvorteile im dynamischen Energiemarkt.
Hitachis DSC-, STA-, DMA- und TMA-Systeme ermöglichen eine präzise Bewertung der eingesetzten Materialien. Das integrierte Real View® Kamerasystem liefert darüber hinaus visuelle Echtzeit-Einblicke in strukturelle Veränderungen während der Analyse.
Thermische Charakterisierung von Materialien für Batterien in Forschung und Entwicklung
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