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Organisationseinheit der BAM
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Introduction
Lithium-ion batteries (LIBs) are one key technology to overcome the climate crisis and energy transition challenges. Demands of electric vehicles on higher capacity and power drives research on innovative cathode and anode materials. These high energy-density LIBs are operated at higher voltages, leading to increased electrolyte decay and the current collectors' degradation. Even though this fundamental corrosion process significantly affects battery performance, insufficient research is being done on the aluminum current collector. Fast and convenient analytical methods are needed for monitoring the aging processes in LIBs.
Methods
In this work glow-discharge optical emission spectrometry (GD-OES) was used for depth profile analysis of aged cathode material. The measurements were performed in pulsed radio frequency mode. Under soft and controlled plasma conditions, high-resolution local determination (in depth) of the elemental composition is possible. Scanning electron microscopy (SEM) combined with a focused ion beam (FIB) cutting and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) was used to confirm GD-OES results and obtain additional information on elemental distribution.
Results
The aging of coin cells manufactured with different cathode materials (LCO, LMO, NMC111, NMC424, NMC532, NMC622, and NMC811) was studied. GD-OES depth profiling of new and aged cathode materials was performed. Quantitative analysis was possible through calibration with synthetic standards and correction by sputter rate. Different amounts of aluminum deposit on the cathode surface were found for different materials. The deposit has its origin in the corrosion of the aluminum current collector. The results are compatible with results from FIB-EDX. However, GD-OES is a faster and less laborious analytical method. Therefore, it will accelerate research on corrosion processes in high energy-density batteries.
Innovative aspects
- Quantitative depth profiling of cathode material
-Monitoring of corrosion processes in high energy-density lithium-ion batteries
- Systematic investigation of the influence of different cathode materials
Lithium batteries are the key technology for the successful implementation of the energy transition. Nevertheless, the consequences of thermal runaway of lithium batteries pose the greatest safety risk. In particular, the transport of damaged lithium batteries poses special challenges in order to minimize the effects of thermal runaway. By developing a precision nail test rig, the positive effects of cooling damaged lithium batteries can be investigated and safe transport temperatures identified.
Die BAM ist zuständige Behörde in Deutschland für bestimmte Aufgaben im Gefahrgutbereich, die u. a. in § 8 der Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt (GGVSEB) und § 12 der Gefahrgutverordnung See (GGVSee) aufgeführt sind und hauptsächlich von den Abteilungen 2 und 3 wahrgenommen werden. So ist die BAM bspw. die in Deutschland für die Zulassung von Verpackungen und Tanks oder auch die Einstufung bestimmter gefährlicher Güter zuständige Stelle. Die BAM arbeitet des Weiteren als Kompetenzbehörde national und international in den entsprechenden Gremien mit und berät das BMDV in der Rechtsfortentwicklung der internationalen Vorschriften für den Gefahrguttransport. Dies geschieht u. a. durch die Mitarbeit im Ständigen Ausschuss Gefahrgutbeförderung (AGGB) des Gefahrgut-Verkehrs-Beirats beim BMDV und den zugehörigen Arbeitsgruppen, oder auch das Erstellen von Anträgen für Rechtsänderungen in den internationalen Vorschriften der Vereinten Nationen (UN) bzw. der Wirtschaftskommission für Europa der UN (UNECE) im Auftrag des BMDV. Die Beratung der betroffenen Wirtschaft und die Normungsarbeit sind weitere wichtige Themen. Die Expertise der BAM wird insbesondere durch Forschung im Gefahrgutbereich erhalten und weiter ausgebaut. Im Rahmen des Vortrags werden drei Forschungsbereiche vorgestellt, von denen zwei für die Energiewende von großer Bedeutung sind.
Understanding the safety characteristics of aged Lithiumion
(Li-ion) batteries is essential for their effective
integration into second-life applications. The SafeLiBatt
project is a research initiative focused on evaluating
safety-related parameters of these batteries.
The presented study elucidates the impact of a cells’
state of health (SOH) on its safety behavior. Four highpower
pouch cells (Li-NMC622) were exposed to elevated
temperatures to achieve accelerated ageing. Subsequent
thermal abuse tests were utilized to assess crucial
parameters related to the thermal runaway (TR).
When compared to their non-aged (begin of life, BOL)
analogs, the aged cells implicated a TR-onset lowered by
about 10 – 20 K.