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Prüfung von Festkörperbatterien

Die hochgenaue mechanische Prüfung von Festkörperbatterien wie z.B. einer Lithium Metall-Anode ermöglicht die Werkstoffverbunde und –strukturen umfassend zu charakterisieren.

Prüfanforderung

  • Lithium-Ionen Batterien mit Festkörperelektrolyten gelten als zukünftige Batterietechnologie die mit Vorteilen bei Sicherheit, Energiedichte und Schnellladefähigkeit den aktuellen Batteriegenerationen deutlich überlegen sein sollen. Die verwendeten Komponenten bestehen dabei aus komplexen Materialverbunden, die elektrochemisch und mechanisch optimal aufeinander abgestimmt sein müssen. Da der Flüssigelektrolyt als Bindeglied wegfällt müssen bei Festkörperbatterien Herausforderungen wie Grenzschichtkontaktierung, thermische Ausdehnung und Alterungsbeständigkeit gelöst werden. Die hochgenaue mechanische Prüfung ermöglicht dabei die Werkstoffverbunde und –strukturen zu umfassend zu charakterisieren.
  • Wird eine Anode aus Lithium-Metall eingesetzt, dann ist deren mechanische Charakterisierung besonders herausfordernd. Die Probenvorbereitung und die Bestimmung der Zugfestigkeit von Lithium-Metall muss aufgrund der starken Degradation in einer Inert-Gasen Umgebung stattfinden. Zusätzlich muss der empfindliche duktile Werkstoff sehr vorsichtig in die Spezial-Probenklemmen zugeführt und ausgerichtet werden. Eine sichere Ermittlung der Längsdehnung ist zudem nur mit angepassten optischen Laserextensometern ohne Berührung der Probe möglich.
  • Eine weitere Herausforderung ist die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften weiterer Komponenten wie der Composite-Kathode oder des Festkörperelektrolyt-Separators. Die Festigkeiten dieser Komponenten sind auschlaggebend für die Auslegung der Fertigungsprozesse bzw. der sicheren Funktionalität im Batteriebetrieb. Festelektrolyten sind typischerweise aus Polymere, Oxiden oder Sulfiden bestehen und weisen entsprechend ihrer  Zugehörigkeit eine große Bandbreite an mechanischen Eigenschaften auf, die von spröde bis duktil reichen kann. Bei der Charakterisierung werden Elastizitätsmodul, Härte, Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit untersucht für die Nanoindenter-Härteprüfer eingesetzt werden.

ZwickRoell Prüflösung

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