Elektrodenstruktur: Porosität und Partikelgröße

Elektrodenparameter

Mittlere Partikelgröße (µm):

1 µm 10.0 µm 20 µm

Breite der Größenverteilung:

Eng (0.1) 0.30 Breit (0.8)

Relativer Standardabweichungswert (höher = breiter)

Elektrodendicke (µm):

20 µm 70 µm 150 µm

Berechnete Eigenschaften

Porosität: 35.0%

Tortuosität (τ): 2.5

Flächenkapazität: 3.5 mAh/cm²

Relative Rate Capability: 100%

Eff. Ion. Leitfähigkeit: 15% (von Bulk)

Elektrodenstruktur Visualisierung

Aktivmaterial-Partikel

Poren (Elektrolyt)

Stromableiter

↔ Ionentransportpfad

Die Grafik zeigt die normalisierte Kapazität bei verschiedenen C-Raten. Eine steilere Abnahme weist auf eine geringere Leistungsfähigkeit (Rate Capability) hin.

Einfluss der Elektrodenstruktur auf die Leistung

Die Mikrostruktur einer Batterieelektrode, insbesondere ihre Porosität und die Größe/Verteilung der Aktivmaterialpartikel, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Energie- und Leistungsdichte einer Lithium-Ionen-Batterie.

Wichtige Kennzahlen

Porosität (\(\epsilon\)): Der Volumenanteil der Poren (gefüllt mit Elektrolyt) in der Elektrode.

\[ \epsilon = \frac{V_{\text{Poren}}}{V_{\text{Gesamt}}} = 1 - \frac{V_{\text{Feststoffe}}}{V_{\text{Gesamt}}} \]

Tortuosität (\(\tau\)): Ein Maß für die Gewundenheit der Poren. Sie beschreibt, wie viel länger der tatsächliche Weg für Ionen durch die Porenstruktur im Vergleich zur geradlinigen Elektrodendicke ist (\(\tau \ge 1\)).

Eine hohe Tortuosität behindert den Ionentransport.

Einflussfaktoren auf Porosität und Struktur:

Partikelgröße: Kleinere Partikel führen oft zu kürzeren Diffusionswegen innerhalb des Partikels (gut für Leistung), können aber die Packungsdichte und Tortuosität beeinflussen. Sehr kleine Partikel (< 1µm) neigen zur Agglomeration und können die Porosität verringern.
Partikelgrößenverteilung: Eine breite Verteilung kann zu einer höheren Packungsdichte führen (kleinere Partikel füllen Lücken), was die Energiedichte erhöht, aber die Porosität und damit die Rate Capability verringern kann. Eine enge Verteilung führt oft zu höherer Porosität.
Kalandrierung (Pressdruck): Nach der Beschichtung werden Elektroden oft gepresst (kalandriert), um die Dichte zu erhöhen und den Kontakt zu verbessern. Dies reduziert die Porosität und erhöht die Tortuosität. (Dieser Parameter ist hier nicht direkt einstellbar, wird aber durch die resultierende Porosität repräsentiert).
Elektrodendicke: Dickere Elektroden erhöhen die Flächenkapazität (mehr Material pro Fläche), aber verlängern die Ionentransportwege und erhöhen den Widerstand, was die Leistung bei hohen Raten reduziert.

Auswirkungen auf die Batterieleistung:

Kapazität: Die Gesamtkapazität wird primär vom Aktivmaterial bestimmt. Die Flächenkapazität (mAh/cm²) steigt mit der Elektrodendicke und der Packungsdichte (1 - Porosität).
Rate Capability (Leistung): Eine hohe Porosität und geringe Tortuosität sind entscheidend für schnellen Ionentransport und damit für hohe Lade-/Entladeraten (C-Raten). Kleinere Partikel sind ebenfalls vorteilhaft für die Leistung. Dicke Elektroden limitieren die Leistung.
Energiedichte: Wird durch hohe Packungsdichte (geringe Porosität) maximiert. Es besteht ein Trade-off zwischen Energie- und Leistungsdichte.
Lebensdauer: Extreme Strukturen (sehr hohe Dichte, sehr kleine Partikel) können mechanischen Stress und Nebenreaktionen (z.B. SEI-Wachstum) begünstigen.

Design-Trade-offs:

Ziel: Hohe Energiedichte
Mittel: Dicke Elektroden, hohe Packungsdichte (geringe Porosität), evtl. breite Partikelverteilung.
Folge: Geringere Leistung.
Ziel: Hohe Leistungsdichte
Mittel: Dünne Elektroden, hohe Porosität, geringe Tortuosität, kleine Partikel.
Folge: Geringere volumetrische Energiedichte.