Das Geheimnis der Lithiumzellen (Video+PDF)

[agentsmith1612]

aktuell aus dem tff-forum (original von saftwerk@tff-forum)
http://tff-forum.de/viewtopic.php?f=22&t=2466

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http://www.youtube.com/watch?v=pxP0Cu00sZs
Dauer [1h:13m] englisch. Das Video zieht sich am Anfang etwas

Bisher versuchte man einfach die Zellen 1000x zu Laden um zu prüfen welche Zelle besser ist, aber jetzt hat man das Equipment gefunden um schon bei 20 Zyklen echte Ergebnisse zu bekommen. Dadurch konnte man jetzt sehr schnell Additive finden, die locker 2000 echte Zyklen zulassen. Andere Firmen lassen ein Experiment 8 Jahre Laufen um ein Additiv zu testen und können aber trotzdem nichts daraus lernen.

Bei der Forschung fand man heraus, warum beim Nissan Leaf und Chevy Volt bei der Hälfte der Akkupacks nach kurzer Zeit so hoher Kapazitätsverlust aufgetreten ist. Die beiden Forscher waren Aaron Smith (jetzt Teslamotors) und Chris Burns.

Die beiden bösen Buben bleiben weiterhin:
- Hohe Temperatur
- hohe Zellenspannung(=100% Laden)

Und wer nicht so viel Zeit für das Video hat, dem empfehle ich ein PDF über Akkuforschung:
https://docs.google.com/viewer?url=http ... F45048.pdf
Auf den letzten 5 Seiten sieht man was die hohe Temperatur anrichten kann.
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Anmerkung: Die fehlerhaften Zellen waren beim Leaf. Es wurde in diesem Zusammenhang der Volt NICHT(!) genannt.

[agentsmith1612]

Ganz Neu war für mich das langsames Laden ebenso einen großen Schaden anrichten kann (bei höheren Temperaturen). Denn die Begründung liegt in der verlängerten Zeitspanne bei der die Spannung angelegt bleibnt und die Nebenreaktionen stattfinden können.
Wobei ein Ladestrom von C/24 sehr langsam ist und auch ein Ladestrom von C/100 bei Autos eher nie auftreten wird.

Interessant fand ich auch den Unterschied der Nebenreaktionen bei verschiedenen Kathodentypen.
Es kommt wohl eigentlich nur auf die Genauigkeit der Messmethode an, auf die anscheinend lange nicht so ein großer Wert gelegt wurde.

Hätte gar nicht gedacht, dass im Elektrolyt noch so viel Potenzial steckt und das man durch gezielte Additive die Lebensdauer enorm erhöhen kann. Die Theorie dahinter wird natürlich mit jedem verwendeten Additiv exponenziell komplizierter. Wissenschaft ist manchmal eben doch einfach nur Try and Error.
Die Kapazität lässt sich aber denke ich dadurch nicht erhöhen. Auch die Spannung ist nach meinem Eindruck schon am Limit. Bis jetzt sind keine anderen Elektrolyten bekannt die mehr aushalten.


Was ich daraus mir merken werde:
- Hohe Temperaturen erhöhen die Nebenreaktionen mit dem Elektrolyt
- sehr langsame Ladeströme = lange Ladezeit -> begünstigen Nebenreaktionen
- höhere Ladeschlussspannungen führen zu stärkeren Nebenreaktionen
- Möglichst genaue Messverfahren können die Testphase und Vorraussage sehr stark beschleunigen
- Die Alterung ist also eigentlich nur durch das Elektrolyt verantwortlich und nicht die Risse der Elektroden. Es wurde aber nichts über Effekte bei sehr hohe Ströme gesagt.

[PowerTower]

Ich sehe das Elektrolyt nicht als alleinigen Miesepeter. Nicht weniger Anteil an der kurzen Lebensdauer trägt die üblicherweise eingesetzte Graphitanode:
- Das Graphit reagiert mit dem organischen Elektrolyt und bildet eine Grenzschicht an der Anodenoberfläche aus. Dieser Prozess lässt sich zwar in Grenzen durch Additive optimieren, aber nicht aufhalten.
- Beim einlagern der Lithium-Ionen in das Graphitgitter wird dessen Volumen vergrößert, was vor allem bei den mechanisch instabilen prismatischen Gehäusen zu Defekten in der Gitterstruktur führen kann, selbst wenn man die Zellen verspannt.
- Laden unter 0°C verursacht in vielen Fällen Dendritenbildung (abscheiden metallischen Lithiums an der Graphitoberfläche), im Extremfall bis zum Zellschluss.

Es gibt bisher nur ein alternatives Anodenmaterial, welches bereits am Markt ist. Das wäre Lithium-Titanat, mit dem der Alterungsprozess deutlich verlangsamt werden kann. Nach 20.000 Zyklen stehen noch rund 80% der Ausgangskapazität zur Verfügung, das entspricht einer um etwa 10x längeren Lebensdauer. Weder wird da eine isolierende Grenzschicht ausgebildet, noch blähen sich die Zellen auf oder findet eine Dendritenbildung statt. Die geringere Ladespannung von 2,7 V ist für das Elektrolyt schonender und verhindert dessen Zersetzung.

Elektrolyt und Anode sind die zwei großen Baustellen in Zukunft. An beiden Baustellen setzt unter anderem die vorgestellte Sekisui Batterie an, so dass dort neben einer verbesserten Energiedichte auch eine deutlich bessere Haltbarkeit zu erwarten ist.

[agentsmith1612]

Der Vortragende ist fast auschließlich auf das Elektrolyt und seine neuartige Messung eingegangen.
Über Alterung der Kathode und Anode wurde überhaupt nichts weiter gesagt.

Ich sehe das Elektrolyt nicht als alleinigen Miesepeter. Nicht weniger Anteil an der kurzen Lebensdauer trägt die üblicherweise eingesetzte Graphitanode:
- Das Graphit reagiert mit dem organischen Elektrolyt und bildet eine Grenzschicht an der Anodenoberfläche aus.

Genau hier ist es aber auch Definitionssache ob es am Grafit oder am Elektrolyt liegt. Laut Dahns Beschreibung wird beim Laden, erst das Elektrolyt an der Kathode oxidiert und dann zur Anode transportiert und dort dann reduziert. Durch die Reduktion entsteht eine feste Verbindung die sich an der Oberfläche vom Grafit festsetzen.
Da finden sicher auch Reaktionen zwischen Grafit und Elektrolyt statt, Dahn sprach ja auch von "Junk", was das genau ist weiß wohl keiner so genau.

Ingesamt besteht der große Teil des Vortrags aus Erklärung, Messung und Vorraussage der Lebensdauer einer Zelle aufgrund der Prozesse bezüglich des Elektrolytes bei erhöheren Temperauren.

Sicher gibt es noch andere Effekte, diese wurden aber nicht weiter behandelt, wenn überhaupt nur kurz erwähnt.