Effiziente und leistungsfähige Energiespeicher sind für die Energiewende, die Elektromobilität und für viele mobile und stationäre Anwendungen von zentraler Bedeutung. Li-Ionen-Batterien spielen dabei aufgrund ihrer Energiedichte und Wirtschaftlichkeit eine immer größere Rolle. Die Leistungsfähigkeit einer Li-Ionen-Batterie wird maßgeblich durch das Design, die Elektrodenmaterialien und die Mikrostruktur der Elektroden [1], [2] bestimmt. Im Beitrag wird ein Überblick über Design und Elektrodenmaterialien gegeben und die Beiträge der Materialographie zum Verständnis von Qualität, Eigenschaften und Alterung werden aufgezeigt. Heute breit im Einsatz befindliche konventionelle Konzepte wurden in den letzten Jahren hinsichtlich Reduzierung kritischer Rohstoffe, Alterungsbeständigkeit, Schnellladefähigkeit oder Kapazität optimiert. Neue Bauformen, z.B. mit Feststoffelektrolyten versprechen in Zukunft verbesserte Eigenschaften.

Die materialographische Untersuchung von Li-Ionen-Batterien leistet wertvolle Beiträge zur Entwicklung und Qualitätskontrolle von Batterien. Da eine Batterie und die einzelnen Elektroden ein Materialverbund aus unterschiedlichen Materialien sind, gestaltet sich die Schliffpräparation besonders herausfordernd. Dies wird durch sehr komplexe Bauformen, wie Pouchzellen, Hartgehäuse, Rundzellen oder prismatischen Zellen, und der Vielzahl an verwendeten Materialsystemen weiter erschwert.

Durch den Einsatz von Computertomographie und Lichtmikroskopie können umfassende Kenntnisse über den mikrostrukturellen Aufbau gewonnen werden. Durch die Anwendung von Machine Learning Algorithmen zur Bildauswertung können sehr große Bildbereiche automatisiert auf Defekte und Fehlstellen untersucht werden oder großflächige Analysen der Beschichtungsdicken der Elektroden durchgeführt werden. Durch weitere Analysen unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie in Verbindung mit EDX und SIMS, sowie Synchrotronuntersuchungen können Alterungsphänomene auf Materialebene analysiert werden.

Referenzen

[1] S. Müller, J. Eller, M. Ebner, C. Burns, J. Dahn, V. Wood, Journal The Electrochemical Society 2018, 165, A339.

[2] M. Wohlfahrt-Mehrens, in KonferenzfCell  2012,Stuttgart, Stuttgart.