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TU Berlin

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Zellbau

Die Weiterentwicklung bestehender Batterietechnologien (z.B. Lithium-Ionen-Batterien) sowie die Erforschung neuartiger Technologien (z.B. Lithium-Luft- oder Zink-Luft-Batterien) erfordert in der Regel einen Aufbau zum Testen einzelner Batteriekomponenten (z.B. Elektroden, Separatoren, Elektrolyt, etc.) oder kompletter Zellsysteme. Typischerweise werden für derartige Zwecke spezielle Messzellen oder Knopfzellen verwendet, die eine Untersuchung von Komponenten unter realen Bedingungen ermöglichen. Zur Zellcharakterisierung kommen Messverfahren wie Elektrochemische Impendanzspektroskopie, Cyclovoltammetrie und Zyklisierung zum Einsatz.

Die Assemblierung von Knopf- bzw. Testzellen erfordert spezielle Werkzeuge (z.B. eine Knopfzellpresse) und eine besondere Atmosphäre (z.B. Glovebox) zum Schutz der einzelnen Komponenten vor erdatmosphärischen Einflüssen. Eine anschließende Belastung und Analyse der Zellen wird in der Regel ebenfalls mit Hilfe von speziellen Geräten (z.B. Neware, Ivium, Zahner) durchgeführt.

Das Ergebnis einer Untersuchung von Batteriezellen bzw. der einzelnen Komponenten ermöglicht zum einen Vorhersagen für größer skalierte Zellen, zum anderen sind auch grundlegende Effekte und elektrochemische Prozesse analysierbar. Darüber hinaus unterstützen derartige Aufbauten und Untersuchungen eine Parametrierung von unterschiedlichen Batteriemodellen (z.B. mittels COMSOL) und tragen somit zu einer optimierten Nutzung von Batteriezellen bei.

 

 

Knopfzellen

Lupe

Knopfzellen sind kompakte Batterien, die oft dort Anwendung finden, wo nur wenig Platz zur Verfügung steht oder der Strombedarf gering ist. Nach IEC 62281 werden Knopfzellen als „kleine Rundzellen, deren Gesamthöhe kleiner ist als ihr Durchmesser“ definiert. Typische Anwendungsfelder sind Autoschlüssel, Armbanduhren und Taschenrechner. Bedingt durch den einfachen Aufbau, die geringe eingesetzte Materialmenge und der Möglichkeit der händischen Herstellung ermöglichen Knopfzellen eine kosten-günstige Untersuchung von innovativen oder optimierten Batteriematerialien im Bereich der Forschung und Entwicklung. Typenbezeichnungen für Knopfzellen (z.B. CR2032) enthalten in der Regel Aussagen zur verwendeten Zellchemie (C: Lithium-Mangandioxid), dem Durchmesser (20: ⌀20mm) und der Gesamthöhe (32: 3,2mm). Knopfzellen vom Typ 2032, die das gängigste Knopfzellenformat für experimentellen Untersuchungen darstellen, sind aus Elektroden, dem Elektrolyten, einem Separator sowie einer Feder und mindestens einem Abstandshalter aufgebaut. Je nach verwendeten Materialien und untersuchten Qualitätsmerkmalen kann die Baureihenfolge der Zellkomponenten variieren.

Testzellen

Lupe

Labor- und Testzellen gibt es sowohl im Knopfzellen- als auch im Pouchzellenformat. Eine Möglichkeit Zellmaterialien im Knopfzellenformat zu untersuchen stellt die ECC-Ref Testzelle von EL-CELL dar. Im Unterschied zur Knopfzelle wird das Gehäuse jedoch nicht verpresst, sondern verschraubt. Dadurch wird eine mehrfache Benutzung ermöglicht. Durch spezielle Abstandshalter innerhalb der Zelle und einem Separatorträger, der eine Ausrichtung der Elektroden erzwingt, kann zudem eine höhere Reproduzierbarkeit gegenüber Knopfzellen gewährleistet werden. Diese Separatorträger können außerdem mit Referenzelektroden versehen werden, um drei-Elektroden-Messungen zu ermöglichen. Bei der Lithium-Ionen-Batterie lassen sich mit Hilfe einer Lithium-Referenzelektrode die Anoden- und Kathodenpotenziale getrennt messen und somit ablaufende Prozesse besser zuordnen. Das Anodenpotenzial kann hierbei verwendet werden, um festzustellen, wann das Potenzial an der Anode unter 0V gegen Lithium gefallen ist, um so den kritischen Punkt der Lithium-Metallablagerung beim Plating zu bestimmen. Durch die drei-Elektroden Messungen lassen sich außerdem EIS-Spektren getrennt für Anode und Kathode aufnehmen.

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