Neue Publikation im HIPOBAT Projekt
Titel
Lithium plating in commercial lithium-ion cells: An extensive study combining electrical methods with post-mortem analysis
Link
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X25024193?via%3Dihub
Zusammenfassung
Diese Studie korreliert etablierte elektrische Methoden mit den Ergebnissen von Post-mortem-Untersuchungen. Kommerzielle Zellen wurden unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen geladen, einschließlich variabler Temperatur, Stromstärke, Kühlung, Klemmdruck und Ladezustand. Die Indikatoren für das Li-Plating wurden mit Hilfe von elektrischem Stripping und Spannungsrelaxationsmessungen analysiert. Die Post-Mortem-Analyse umfasste die digitale Bildverarbeitung von über 5000 Flachbettscans von Anodenelektrodenoberflächen.
Um die Morphologie des Li-Platings zu analysieren und zu bestätigen, dass es sich bei den beobachteten makroskopischen Strukturen um Lithium-Plating handelt, wurden Laser-Scanning- und Rasterelektronenmikroskopie-Messungen in Kombination mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) durchgeführt. Die Verwendung eines fensterlosen EDX-Detektors ermöglichte die Messung von Li Kα-Röntgenstrahlung bei 54 eV und bestätigte damit das Vorhandensein von Lithiummetall in den gewachsenen Strukturen. Die strukturelle Analyse der Oberflächenablagerungen ergab zum ersten Mal eine neuartige polyedrische Li-Platingmorphologie in einer kommerziellen Zelle. Diese Ergebnisse tragen zum Bereich der Detektion von Li-Plating bei, da es unerlässlich ist, den Plating-Prozess zu verstehen und metallisches Lithium in einem frühen Stadium zu erkennen, um die Batterielebensdauer zu optimieren und die Sicherheit für die Zielanwendung zu erhöhen.
Interview mit dem Hauptautor und wissenschaftlichen Mitarbeiter im Projekt HIPOBAT, Heinrich Ditler, RWTH Aachen:
Das Lithiumplating ist ein bekanntes Degradationsphänomen in Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden während der Schnellladung bei niedrigen Temperaturen. Kannst Du kurz erklären, wie Eure Arbeit zum Nachweis von Lithium-Plating beiträgt und wie sie sich von früheren Studien unterscheidet?
Unsere Studie kombiniert elektrische Untersuchungsmethoden mit einer groß angelegten digitalen Bildanalyse an kommerziellen Hochleistungszellen. Wir korrelieren nicht nur die elektrischen Indikatoren für das Li-Plating in der differentiellen Spannungsanalyse mit dem direkten visuellen Nachweis des Lithium-Platings, sondern führen auch einen automatisierten Computer-Vision-Ansatz zur Quantifizierung und Kartierung des Li-Platings über Tausende von Elektroden-Flachbettscans ein. Wir haben auch systematisch mit Hilfe von Post-Mortem-Methoden gezeigt, dass die erneute Interkalation von abgelagertem Lithium in Graphit innerhalb von weniger als einer Stunde nach dem Laden erfolgen kann, ein Effekt, der zuvor nicht direkt sichtbar war. Schließlich entdeckten wir zum ersten Mal eine neue polyedrische Lithium-Platingmorphologie in kommerziellen Zellen, die auch durch fensterlose - energiedispersive Röntgenanalyse im Rasterelektronenmikroskop bestätigt wurde. Daher bietet diese Publikation sowohl verbesserte Quantifizierungsmethoden als auch neue Erkenntnisse im Vergleich zu früheren Arbeiten.
Ihr habt kommerzielle Hochleistungszellen als Prüflinge verwendet. Wird es möglich sein, die von Euch entwickelte Methodik auf andere elektrochemische Systeme, z.B. Labordemonstratorzellen wie Na-Ionen-Batterien oder Festkörperbatterien auszuweiten?
Ja, wir arbeiten bereits aktiv daran, unsere Methoden an andere elektrochemische Systeme anzupassen. Unsere aktuelle Forschung zeigt bereits eine hohe Übertragbarkeit der Methodik auf Natrium-Ionen-Zellen. Wir wollen die Methodik auch für Festkörperbatterien in der zukünftigen Arbeit im Rahmen des HiPoBat-Projekts erforschen und erweitern.
Habt Ihr eine Folgearbeit auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Studie geplant? Wenn ja, kannst du uns einen Teaser geben? Gibt es Potenzial, diese Methodik weiterzuentwickeln?
Absolut! Wir planen, verschiedene Morphologien des Lithium/Natrium-Platings unter verschiedenen Bedingungen weiter zu untersuchen und unsere Bildanalyse-Pipeline für größere Datensätze und andere Zellformate weiter zu automatisieren. Wir beschäftigen uns auch mit nicht-invasiven Operando-Methoden wie Ultraschall oder Röntgentomographie, um unseren bisherigen Ansatz zu ergänzen.
