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Pr├╝fung von Elektrodenbeschichtungen

F├╝r die Lebensdauer von Lithium-Ionen Batterien f├╝r die Elektromobilit├Ąt ist die Haftfestigkeit zwischen Aktivmaterial-Beschichtungen und Elektroden (Al- oder Cu-Folie), die H├Ąrte/Steifigkeit/Kompressibilit├Ąt und die Biegefestigkeit der Aktivmaterial-Beschichtung und der Reibungskoeffizient zwischen Zelllagen von gro├čer Bedeutung.

Ermittlung der Haftfestigkeit zwischen Aktivmaterial-Beschichtungen und Elektroden (Al- oder Cu-Folie)

Pr├╝fanforderung

  • Neben den mechanischen Kennwerten ist auch die Haftfestigkeit der ein- oder doppelseitigen Beschichtungen auf der Ableiterfolie von gro├čer Bedeutung, da diese Verbindung ma├čgeblich f├╝r die interne Leitf├Ąhigkeit der Batterie ist. Auch die Haftfestigkeit ├Ąndert sich mit dem Alter der Batterie und daher muss sichergestellt sein, dass die Verbindung dauerhaft gew├Ąhrleistet ist.
  • Die mechanische Haftfestigkeit zwischen Aktivmaterial und Substrat kann unterschiedlich ermittelt werden: Die g├Ąngigste, weil einfachste Methode, ist der Sch├Ąlzugversuch mit einem Sch├Ąlwinkel von 90┬░ oder 180┬░. In beiden Varianten wird die beschichtete Folie auf einem Tr├Ągermaterial aufgebracht und dann im vorgegebenen Sch├Ąlwinkel von der Pr├╝fmaschine abgezogen. Die Verfahren sind nicht genormt und daher nur sehr schwierig vergleichbar zu gestalten. Die wichtige qualitative Beurteilung der Versagensart (Koh├Ąsions- oder Adh├Ąsionsbruch) ist mit diesem Verfahren nur bedingt m├Âglich. Weitere Nachteile dieser Pr├╝fungen ist der hohe Materialverbrauch und die aufwendige Probenvorbereitung.
  • Eine verl├Ąsslichere Ermittlung der Haftfestigkeit ist mittels der Haftzugsvorrichtung ÔÇ×Z-DirectionÔÇť m├Âglich. Hier werden 5 Proben mittels einer Probenvorrichtung gleichzeitig vorbereitet. Die Pr├╝fmaschine f├╝hrt zudem automatisiert die definierten Parameter Anpressdruck und ÔÇôdauer f├╝r jede Probe identisch durch. Danach wird jede einzelne Probe in Z-Richtung abgezogen und ein deutlicher maximaler Haftfestigkeitswert ermittelt. Dieses Verfahren erm├Âglicht neben einer sehr effizienten Probenvorbereitung und einer hohen Wiederholgenauigkeit auch eine deutliche Bestimmung der Koh├Ąsions- und Adh├Ąsionsanteile des Bruchbildes.

Video

Ermittlung der Haftfestigkeit mittels der Haftzugsvorrichtung ÔÇ×Z-DirectionÔÇť

ZwickRoell Pr├╝fl├Âsung

  • Pr├╝fmaschine mit spezieller Vorrichtung f├╝r den Abzug von f├╝nf definierten Proben in einer Einspannung. Dieser-Z-Abzug dient der Ermittlung der Haftfestigkeit als auch der Bewertung der Versagensart.
  • Standard-Pr├╝fvorrichtungen f├╝r 90┬░- oder 180┬░- Sch├Ąlversuche

Ermittlung der H├Ąrte/Steifigkeit/Kompressibilit├Ąt der Aktivmaterial-Beschichtung

Pr├╝fanforderung

  • Eine gro├če Herausforderung in der Batterieproduktion ist der Beschichtungsprozess der Elektroden. F├╝r einen sicheren Batteriebetrieb ist eine ausgezeichnete mechanische Stabilit├Ąt und ein vorhersehbares Alterungsverhalten des Aktivmaterials sicherzustellen. Eine wichtige Pr├╝fung hierbei ist die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften wie Beschichtungsh├Ąrte und Beschichtungssteifigkeit.
  • Die Kenntnis dieser Kenngr├Â├čen erm├Âglicht die Optimierung von Beschichtungsprozessen und zeigt die Auswirkungen unterschiedlicher chemischer Komponenten im Entwicklungs- und Produktionsprozess auf.
  • Um die Effizienz zu steigern ist es zudem erforderlich, dass die nutzbare Breite der Beschichtung auf dem Tr├Ągermaterial m├Âglichst gro├č und homogen ist. Durch den Einsatz von instrumentierten H├Ąrteeindringverfahren k├Ânnen produktionsbedingte Qualit├Ątsschwankungen in den Beschichtungsrandbereichen erkannt und reduziert werden.

ZwickRoell Pr├╝fl├Âsung

  • Der Universelle Nanomechanische Tester ZHN bestimmt hochgenau H├Ąrtewerte und Elastizit├Ątsmodule von Werkstoffen und Beschichtungen. Unterschiedliche Eindringk├Ârper erm├Âglichen die Anpassung an die jeweilige Beschichtungscharakteristik. Mit der Mappingfunktion k├Ânnen fl├Ąchig abweichende mechanische Eigenschaften, z.B. Im Beschichtungsrandbereich, ermittelt werden.
  • Der instrumentierte H├Ąrtemesskopf ZHU erm├Âglicht eine einfache und schnelle ├ťberpr├╝fung der mechanischen Eigenschaften von Beschichtungen. Der ZHU kann flexibel und schnell in eine Materialpr├╝fmaschine eingebaut werden und liefert mit seinem integrierten Kraftaufnehmer und digitalen Wegmesssystem hochgenaue Messergebnisse.

Ermittlung der Biegefestigkeit der Aktivmaterial-Beschichtung

Pr├╝fanforderung

Das Aktivmaterial der Elektroden ist eine 50 ÔÇô 100┬Ám dicke Beschichtung, die je nach chemischer Zusammensetzung und gew├Ąhltem Produktionsprozess stark unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen kann. Diese zu kennen ist wichtig um optimale Einstellungen der Produktionsparameter wie z.B. Durchlaufgeschwindigkeit, Rollenwinkel und Vorspannkr├Ąfte zu definieren. Die Ermittlung der Biegefestigkeit mittels einer 2-Punkt-Biegevorrichtung erm├Âglicht zudem die Bestimmung des maximal zul├Ąssigen Biegewinkels bzw. -radius bei dem die Beschichtung unversehrt bleibt und der Kontakt zwischen Ableiterfolie und Aktivmaterial aufrecht erhalten bleibt.

ZwickRoell Pr├╝fl├Âsung

ZwickiLine mit 2-Punkt-Biegevorrichtung und integriertem hochaufl├Âsendem Kraftaufnehmer

Ermittlung des Reibungskoeffizienten zwischen Zelllagen

Pr├╝fanforderung

Die Ermittlung der dynamischen und statischen Reibungskoeffizienten erm├Âglicht ein besseres Verst├Ąndnis des Verhaltens zweier sich ber├╝hrender Zellschichten im trockenen Produktionsprozess. Aber auch die Reibung zwischen Folie und Transportrolle kann so ermittelt werden und man kann sicherstellen, dass die eingestellten Rollendr├╝cke , Vorspannungen oder Rollengeschwindigkeiten die Folien und deren Oberfl├Ąchen nicht negativ beeinflussen.

ZwickRoell Pr├╝fl├Âsung

ZwickiLine mit 2.Punkt-Biegevorrichtung und integriertem hochaufl├Âsendem Kraftaufnehmer

Weitere Informationen

Batteriepr├╝fung

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen Batterien f├╝r die Elektromobilit├Ąt ist eng mit der Haftfestigkeit der Elektrodenbeschichtung auf dem Substrat verkn├╝pft. Um die mechanische Anbindung bereits vor deren eigentlichen Nutzung prognostizieren zu k├Ânnen, wird ihre Haftfestigkeit gepr├╝ft.
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