Springe zum Seiteninhalt

Prüfung von Elektrodenbeschichtungen

Für die Lebensdauer von Lithium-Ionen Batterien für die Elektromobilität ist die Haftfestigkeit zwischen Aktivmaterial-Beschichtungen und Elektroden (Al- oder Cu-Folie), die Härte/Steifigkeit/Kompressibilität und die Biegefestigkeit der Aktivmaterial-Beschichtung und der Reibungskoeffizient zwischen Zelllagen von großer Bedeutung.

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

Prüfanforderung

  • Neben den mechanischen Kennwerten ist auch die Haftfestigkeit der ein- oder doppelseitigen Beschichtungen auf der Ableiterfolie von großer Bedeutung, da diese Verbindung maßgeblich für die interne Leitfähigkeit der Batterie ist. Auch die Haftfestigkeit ändert sich mit dem Alter der Batterie und daher muss sichergestellt sein, dass die Verbindung dauerhaft gewährleistet ist.
  • Die mechanische Haftfestigkeit zwischen Aktivmaterial und Substrat kann unterschiedlich ermittelt werden: Die gängigste, weil einfachste Methode, ist der Schälzugversuch mit einem Schälwinkel von 90° oder 180°. In beiden Varianten wird die beschichtete Folie auf einem Trägermaterial aufgebracht und dann im vorgegebenen Schälwinkel von der Prüfmaschine abgezogen. Die Verfahren sind nicht genormt und daher nur sehr schwierig vergleichbar zu gestalten. Die wichtige qualitative Beurteilung der Versagensart (Kohäsions- oder Adhäsionsbruch) ist mit diesem Verfahren nur bedingt möglich. Weitere Nachteile dieser Prüfungen ist der hohe Materialverbrauch und die aufwendige Probenvorbereitung.
  • Eine verlässlichere Ermittlung der Haftfestigkeit ist mittels der Haftzugsvorrichtung „Z-Direction“ möglich. Hier werden 5 Proben mittels einer Probenvorrichtung gleichzeitig vorbereitet. Die Prüfmaschine führt zudem automatisiert die definierten Parameter Anpressdruck und –dauer für jede Probe identisch durch. Danach wird jede einzelne Probe in Z-Richtung abgezogen und ein deutlicher maximaler Haftfestigkeitswert ermittelt. Dieses Verfahren ermöglicht neben einer sehr effizienten Probenvorbereitung und einer hohen Wiederholgenauigkeit auch eine deutliche Bestimmung der Kohäsions- und Adhäsionsanteile des Bruchbildes.

Video

Ermittlung der Haftfestigkeit mittels der Haftzugsvorrichtung „Z-Direction“

ZwickRoell Prüflösung

  • Prüfmaschine mit spezieller Vorrichtung für den Abzug von fünf definierten Proben in einer Einspannung. Dieser-Z-Abzug dient der Ermittlung der Haftfestigkeit als auch der Bewertung der Versagensart.
  • Standard-Prüfvorrichtungen für 90°- oder 180°- Schälversuche

Ermittlung der Härte/Steifigkeit/Kompressibilität der Aktivmaterial-Beschichtung

Prüfanforderung

  • Eine große Herausforderung in der Batterieproduktion ist der Beschichtungsprozess der Elektroden. Für einen sicheren Batteriebetrieb ist eine ausgezeichnete mechanische Stabilität und ein vorhersehbares Alterungsverhalten des Aktivmaterials sicherzustellen. Eine wichtige Prüfung hierbei ist die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften wie Beschichtungshärte und Beschichtungssteifigkeit.
  • Die Kenntnis dieser Kenngrößen ermöglicht 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 Trägermaterial möglichst groß und homogen ist. Durch den Einsatz von instrumentierten Härteeindringverfahren können produktionsbedingte Qualitätsschwankungen in den Beschichtungsrandbereichen erkannt und reduziert werden.

ZwickRoell Prüflösung

  • Der Universelle Nanomechanische Tester ZHN bestimmt hochgenau Härtewerte und Elastizitätsmodule von Werkstoffen und Beschichtungen. Unterschiedliche Eindringkörper ermöglichen die Anpassung an die jeweilige Beschichtungscharakteristik. Mit der Mappingfunktion können flächig abweichende mechanische Eigenschaften, z.B. Im Beschichtungsrandbereich, ermittelt werden.
  • Der instrumentierte Härtemesskopf ZHU ermöglicht eine einfache und schnelle Überprüfung der mechanischen Eigenschaften von Beschichtungen. Der ZHU kann flexibel und schnell in eine Materialprüfmaschine eingebaut werden und liefert mit seinem integrierten Kraftaufnehmer und digitalen Wegmesssystem hochgenaue Messergebnisse.

Ermittlung der Biegefestigkeit der Aktivmaterial-Beschichtung

Prüfanforderung

Das Aktivmaterial der Elektroden ist eine 50 – 100µm dicke Beschichtung, die je nach chemischer Zusammensetzung und gewähltem Produktionsprozess stark unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen kann. Diese zu kennen ist wichtig um optimale Einstellungen der Produktionsparameter wie z.B. Durchlaufgeschwindigkeit, Rollenwinkel und Vorspannkräfte zu definieren. Die Ermittlung der Biegefestigkeit mittels einer 2-Punkt-Biegevorrichtung ermöglicht zudem die Bestimmung des maximal zulässigen Biegewinkels bzw. -radius bei dem die Beschichtung unversehrt bleibt und der Kontakt zwischen Ableiterfolie und Aktivmaterial aufrecht erhalten bleibt.

ZwickRoell Prüflösung

ZwickiLine mit 2-Punkt-Biegevorrichtung und integriertem hochauflösendem Kraftaufnehmer

Ermittlung des Reibungskoeffizienten zwischen Zelllagen

Prüfanforderung

Die Ermittlung der dynamischen und statischen Reibungskoeffizienten ermöglicht ein besseres Verständnis des Verhaltens zweier sich berührender Zellschichten im trockenen Produktionsprozess. Aber auch die Reibung zwischen Folie und Transportrolle kann so ermittelt werden und man kann sicherstellen, dass die eingestellten Rollendrücke , Vorspannungen oder Rollengeschwindigkeiten die Folien und deren Oberflächen nicht negativ beeinflussen.

ZwickRoell Prüflösung

ZwickiLine mit 2.Punkt-Biegevorrichtung und integriertem hochauflösendem Kraftaufnehmer

Weitere Informationen

Batterieprüfung
Die Lebensdauer von Lithium-Ionen Batterien für die Elektromobilität ist eng mit der Haftfestigkeit der Elektrodenbeschichtung auf dem Substrat verknüpft. Um die mechanische Anbindung bereits vor deren eigentlichen Nutzung prognostizieren zu können, wird ihre Haftfestigkeit geprüft.
zu Batterieprüfung
An Overview of Efficient Testing Tools for the Mechanical Characterization of Lithium-ion Cell Materials
Mechanical testing is becoming increasingly important ass requirements to increase battery performance grow. We will present a variety of test fixtures for the determination of mechanical properties of lithium-ion battery cell materials.
zu An Overview of Efficient Testing Tools for the Mechanical Characterization of Lithium-ion Cell Materials
Nano-Elasticity Measurements of Electrode Coatings of Lithium-ion Batteries
The ZR nanoindentation hardness tester ZHN is a universal instrument used to measure hardness and scratch properties of coatings and thin layers. You will learn about the wide application range of the ZHN and its powerful features to determine reliable test results using the example of a coated electrode of lithium-ion battery cells.
zu Nano-Elasticity Measurements of Electrode Coatings of Lithium-ion Batteries
Universal Test System for Mechanical Characterization of Lithium-ion Battery Cell Materials and Components
The testing of lithium-ion cells, modules and packs requires a large number of different tools and fixtures and a load frame that can be adapted to changing testing requirements. We will present the Z010 AllroundLine - a highly modular and expandable test system that supports customers in R&D and production to obtain reliable test results.
zu Universal Test System for Mechanical Characterization of Lithium-ion Battery Cell Materials and Components
A Comparison of Tools for the Determination of Coating Adhesion on Lithium-ion Electrodes
An important test for the determination of active material performance and reliability is the determination of adhesion between active material and electrode. We will discuss the advantages and disadvantages of two typical test fixtures: the 90° peel test and the Z-direction test.
zu A Comparison of Tools for the Determination of Coating Adhesion on Lithium-ion Electrodes
Top