Elektrochemische Untersuchung zur Optimierung von hochleistungsfähigen Lithiumtitanatelektroden in Lithiumionen-Akkumulatoren

Electrochemical study of the optimization of high-performance lithium titanate electrodes in lithium ion batteries

  • Lithiumtitanat-Elektroden finden in schnellladefähigen Lithiumionen-Akkumulatoren Anwendung. Aus der hohen Potenziallage gegenüber den herkömmlichen Graphitelektroden resultiert eine höhere Toleranz für Überspannungen und eine bessere Effizienz auch bei hohen Ladeströmen. Mit einer entsprechenden Gegenelektrode hergestellte Akkumulatorzellen können damit häufig in weniger als 20 Minuten geladen werden und gelten als Hochleistungszellen. Zusätzlich haben diese Zellen eine besonders hohe Lebensdauer von über 10 000 Zyklen. Herstellungsparamter wie Pastenzusammensetzung, Schichtdicke und Verdichtung nehmen auf die Hochstromfähigkeit der Lithiumtitanat-Elektrode Einfluss. Um diese zu quantifizieren sind Parameter gezielt ausgehend von einer Referenzkonfiguration variiert worden. Für die Charakterisierung sind hauptsächlich der Innenwiderstand und die nutzbare Entladekapazität bei höheren Stromraten betrachtet worden. Es konnte herausgestellt werden, dass die elektronische Leitfähigkeit des halbleitenden Lithiumtitanat den Innenwiderstand der Elektrode maßgeblich bestimmt, woraus eine exponentielle Temperaturabhängigkeit resultiert. Der Transport der Lithiumionen innerhalb der Elektrode, aber auch im Elektrolyten findet ausreichend schnell statt, sodass bei den durchgeführten Messungen keine transportlimitierten Effekte beobachtet werden konnten. Durch Verdichtung der Elektroden wurde die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden weiter verbessert, ohne sich negativ auf die Ionenleitfähigkeit innerhalb des Kristalls auszuwirken. Eine weitere Leistungssteigerung konnte durch Erhöhung des Kohlenstoff-Binder-Verhältnisses und Verringerung der Schichtdicke erzielt werden. Eine Stabilitätsmessung über 500 Zyklen wurde durchgeführt und Alterungseffekte gezielt provoziert. Damit konnten Erkenntnisse über den sicheren Betrieb und Arbeitsbereich von Lithiumtitanat-Elektroden gewonnen werden.
  • Lithium titanate electrodes are used in fast rechargeable lithium ion batteries. They have a higher tolerance for overpotential because of their higher redox potenzial opposite conventional graphite electrodes. The have an even better efficiency at high charging currents. With a corresponding counter electrode they can be loades in less than 20 minutes. So we call them high-performance cells. In addition, these cells have a particularly long service life of about 10 000 cycles. Production parameters like composition of the slurry, electrode thickness and compaction influeece the high-rate capability of the lithium titanate electrodes. The parameters for electrode reparation are selectively varied from a reference configuration. The main attributes for the characterization are the internal resistance and the useable discharge capacity at high rates. It was pointed out that the electronic conductivity of semiconducting lithium titanate determined the internal resistance of the electrode decisively, so an exponential temperature dependence results. The transport of the lithium ions within the electrode, but also in the electrolyte takes place sufficiently fast so that no transport limited effects were observed in the measurements carried out. The electrical conductivity of the electrodes was further improved without adversely affecting the ionic conductivity inside the crystal by compression the electrodes. Another performance improvement was achieved by increasing the carbonbinder ratio and reduction of the electrode thickness. A stability measurement was performed over 500 cycles to provoke aging effects. Thus knowledge about the safe operation and working range of lithium titanate electrode could be won.

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Metadaten
Author:Thomas Dick
Advisor:Hans-Dieter Schnabel, Matthias Herrmann
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Name:HOPPECKE Advanced Battery Technology GmbH
HOPPECKE Advanced Battery Technology GmbH, Dr.-Sinsteden-Straße 8, 08056 Zwickau, 08056 Zwickau
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2016/05/05
Tag:LTO; Lithiumtitanat
LTO; lithium titanate
GND Keyword:Elektrode; Lithium-Ionen-Akkumulator; Spinell; Elektromobilität; Elektrochemie; Hochstrom
Page Number:71 Seiten, 41 Abb., 8 Tab., 42 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2018/02/22