Verlängern Sie die Lebensdauer von Batteriezellen durch maßgeschneiderte Kompressionseigenschaften.

Wie Muskelfasern die menschliche Bewegung antreiben, sind Lithium-Ionen-Zellen in modernen EV-Batterien die Energiequelle, die Elektrofahrzeuge antreibt. Und ebenso wie Muskelfasern durchlaufen Lithium-Ionen-Zellen Ausdehnungs- und Kontraktionszyklen – das sogenannte „Atmen“ der Zellen. Dabei handelt es sich um eine reversible dimensionsbedingte Veränderung während eines Lade-/Entladezyklus, die durch die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode verursacht wird.

Wenn Muskelkontraktionen gegen einen Widerstand wirken, nimmt das Muskelvolumen im Laufe der Zeit tendenziell zu. Während dieser Mechanismus als Anpassung an das Training häufig erwünscht ist, versuchen Ingenieure, einen vergleichbaren Effekt bei Batteriezellen zu vermeiden oder zu minimieren. Leider ist die Ausdehnung von Batteriezellen nicht vollständig reversibel. Nach zahlreichen Lade- und Entladezyklen nehmen Zellvolumen und Zelldicke dauerhaft zu – ein Phänomen, das als „Swelling“ (Aufquellen) bezeichnet wird. Zu den Faktoren, die zum Aufquellen beitragen können, zählen unter anderem das Wachstum der Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI), Lithium-Plating sowie Gasbildung.

Dieses Aufquellen der Zellen ist eine Herausforderung für die Lebensdauer, Sicherheit und Leistungsfähigkeit moderner Lithium-Ionen-Batterien, da es im Laufe der Zeit zur Alterung der Zellen und zur Verringerung ihrer Kapazität führt.

LIB-Zellen (Lithium-Ionen-Batteriezellen) können das Atmen der Zellen und das Aufquellen derzeit nicht vollständig vermeiden. Durch das Aufbringen eines definierten Drucks auf die Zellen lässt sich jedoch nicht nur die Ausdehnung und das Aufquellen reduzieren, sondern auch die Leistungsfähigkeit der Zellen maximieren, wodurch ihre Lebensdauer verlängert wird. Ein zu geringer Druck zeigt nur begrenzte Wirkung, während ein zu hoher Druck die Zellen beschädigen, ihre Leistung beeinträchtigen und Sicherheitsrisiken verursachen kann. Daher ist die Ermittlung der optimalen Kompressionskraft für die jeweilige Batteriekonstruktion von großer Bedeutung.

Weilin, was versteht man unter maßgeschneiderten Kompressionseigenschaften eines Kompressionspads und wie unterscheiden sie sich von Standardeigenschaften?

Um den optimalen Druck auf LIB-Zellen zu bestimmen, müssen sowohl die Zellchemie als auch das spezifische Design des Batteriemoduls bzw. Batteriepacks berücksichtigt werden. Es gibt keine universelle Standardlösung. Nach der Analyse der anwendungsspezifischen Anforderungen können die Materialeigenschaften gezielt optimiert werden. Durch Veränderungen der Materialformulierungen, beispielsweise durch Anpassung der Harzrezeptur, Variation der Vernetzungsdichte oder den Einsatz unterschiedlicher Füllstoffe und Füllstoffgehalte, lassen sich Materialien in gewissem Umfang gezielt abstimmen.

In Kombination mit innovativen Materialdesigns, wie der Verbindung verschiedener Werkstoffe, variierenden Geometrien und Materialien von gewellten oder strukturierten Konstruktionen, der Mikrostruktur von Polymerschäumen (z. B. offen- oder geschlossenzellig, Porengröße, Zellwandstärke usw.) sowie weiteren Parametern, können Standardeigenschaften gezielt angepasst werden, um durch maßgeschneiderte Lösungen erhebliche Vorteile zu erzielen.

Welche Vorteile bieten maßgeschneiderte Kompressionseigenschaften?

Die wichtigsten Vorteile individueller Kompressionslösungen bestehen darin, dass die Materialien optimal auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung abgestimmt werden können. Dadurch lassen sich die Leistungsfähigkeit der Zellen maximieren, das Aufquellen der Zellen durch exakt definierten Druck reduzieren und die Lebensdauer des Batteriepacks verlängern, wobei eine hohe Leistungsabgabe auch gegen Ende der Batterielebensdauer erhalten bleibt.

Maßgeschneiderte Lösungen bedeuten nicht zwangsläufig die Entwicklung der teuersten Materialien. Vielmehr geht es darum, die geeigneten Werkstoffe zu identifizieren und gleichzeitig überdimensionierte Lösungen zu vermeiden.

Wie erfüllt Tape Solutions diese Anforderungen an die Individualisierung?

Natürlich kann ich hier nicht auf alle Details eingehen. Durch materialtechnische Charakterisierungsprüfungen für EV-Batterieanwendungen identifizieren wir zunächst die am besten geeigneten Werkstoffe aus unserem umfangreichen Portfolio. Auf Basis präziser mechanischer Modelle kann anschließend ein digitaler Zwilling entwickelt werden.

Moderne digitale Werkzeuge unterstützen dabei, auf Grundlage eines spezifischen Batteriemoduldesigns das „ideale“ Material und die optimale Materialdicke zu empfehlen, um die angestrebten Kompressionseigenschaften zu erzielen.

Was ist ein digitaler Zwilling und welchen Mehrwert bietet er Kunden?

Ein digitaler Zwilling ermöglicht ein effizienteres Werkstoffscreening, indem die Anwendung in digitalen Simulationen nachgebildet wird. Dadurch können umfangreiche Designräume untersucht werden, beispielsweise verschiedene Materialtypen und Materialdicken, ohne dass in dieser frühen Phase physische Versuche erforderlich sind.

Diese Werkzeuge helfen dabei, geeignete Optionen schneller zu identifizieren, die anschließend für die finale Auslegung weiterverarbeitet werden können.

Dies bietet erhebliche Vorteile, da Zeit und Kosten für Laborversuche reduziert werden und gleichzeitig eine schnelle Bearbeitung von RFI- und RFQ-Prozessen ermöglicht wird. Durch die Validierung der Simulationsergebnisse mit realen Materialtests in unseren modernen Forschungs- und Entwicklungszentren stellen wir sicher, dass unsere Kunden von unserer EV-Expertise und schnellen Lösungen profitieren.

Können Sie Beispiele für Anwendungen nennen, bei denen maßgeschneiderte Kompressionseigenschaften entscheidend für die Verlängerung der Zelllebensdauer sind?

Natürlich. Bei Pouch-Zellen und prismatischen Zellen mit flüssigem Elektrolyten ist eine maßgeschneiderte Kompression besonders wichtig, da die wiederholte Ausdehnung und Kontraktion des Elektrodenmaterials zur Trennung der Schichtstrukturen führen kann, wenn kein Druck aufgebracht wird. Eine abgestimmte Kompression kann zudem das Risiko hoher lokaler Stromdichten und beschleunigter Nebenreaktionen innerhalb der Zelle minimieren. Ist der Druck hingegen zu hoch, können die Kristallstrukturen der Elektrodenmaterialien verformt, die SEI-Schichten beschädigt und die Ionentransportwege beeinträchtigt werden.

Der optimale Druck gewährleistet daher einen guten Kontakt zwischen den Batteriekomponenten (Anode, Kathode und Separator), begrenzt ein übermäßiges Aufquellen der Zellen, verhindert mögliche Delaminationen und vermeidet gleichzeitig Schäden an den Batteriekomponenten.

Bei Batterien mit Lithium-Metall-Anoden kann ein maßgeschneiderter Druck das Wachstum von Lithium-Dendriten (nadelartigen Strukturen) unterdrücken, die interne Kurzschlüsse und Sicherheitsrisiken verursachen können. Eine individuell abgestimmte Zellkompression trägt zur Verringerung dieses Risikos bei.

Bei Anwendungen mit Festkörperbatterien (SSB) sorgt eine maßgeschneiderte Kompression für einen ausreichenden Kontakt zwischen Festelektrolyt (SSE) und Elektrode, um eine niederohmige Grenzflächenverbindung und damit eine höhere Coulomb-Effizienz zu gewährleisten. Zu hohe Kompressionskräfte können jedoch nachteilige Effekte wie Strukturbrüche des Festelektrolyten sowie vorzeitige Kurzschlüsse verursachen.

Vielen Dank, Weilin, dass Sie erläutert haben, wie maßgeschneiderte Kompressionsmaterialien so ausgelegt werden können, dass sie dauerhaften Verformungen (Compression Set) widerstehen und über die gesamte Lebensdauer der Batteriezelle hinweg eine individuell abgestimmte Unterstützung bieten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Batteriezellen langfristig optimal funktionieren.