Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Lithium-ion batteries (LIBs) are one technology to overcome the challenges of climate and energy crisis. They are widely used in electric vehicles, consumer electronics, or as storage for renewable energy sources. However, despite innovations in batteries' components like cathode and anode materials, separators, and electrolytes, the aging mechanism related to metallic aluminum current collector degradation causes a significant drop in their performance and prevents the durable use of LIBs. Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) is a powerful method for depth-profiling of batteries' electrode materials. This work investigates aging-induced aluminum deposition on commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries' cathodes. The results illustrate the depth-resolved elemental distribution from the cathode surface to the current collector. An accumulation of aluminum is found on the cathode surface by GD-OES, consistent with results from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) combined with focused ion beam (FIB) cutting. In comparison to FIB-EDX, GD-OES allows a fast and manageable depth-profiling. Results from different positions on an aged cathode indicate an inhomogeneous aluminum film growth on the surface. The conclusions from these experiments can lead to a better understanding of the degradation of the aluminum current collector, thus leading to higher lifetimes of LIBs.
Investigation of degradation of the aluminum current collector in lithium-ion batteries by GD-OES
(2022)
Lithium-ion batteries (LIBs) are one technology to overcome the challenges of climate and energy crisis. They are widely used in electric vehicles, consumer electronics, or as storage for renewable energy sources. However, despite innovations in batteries' components like cathode and anode materials, separators, and electrolytes, the aging mechanism related to metallic aluminum current collector degradation causes a significant drop in their performance and prevents the durable use of LIBs. Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) is a powerful method for depth-profiling of batteries' electrode materials. This work investigates aging-induced aluminum deposition on commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries' cathodes. The results illustrate the depth-resolved elemental distribution from the cathode surface to the current collector. An accumulation of aluminum is found on the cathode surface by GD-OES, consistent with results from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) combined with focused ion beam (FIB) cutting. In comparison to FIB-EDX, GD-OES allows a fast and manageable depth-profiling. Results from different positions on an aged cathode indicate an inhomogeneous aluminum film growth on the surface. The conclusions from these experiments can lead to a better understanding of the degradation of the aluminum current collector, thus leading to higher lifetimes of LIBs.
Lithium-ion batteries (LIBs) are one technology to overcome the challenges of climate and energy crisis. They are widely used in electric vehicles, consumer electronics, or as storage for renewable energy sources. However, despite innovations in batteries' components like cathode and anode materials, separators, and electrolytes, the aging mechanism related to metallic aluminum current collector degradation causes a significant drop in their performance and prevents the durable use of LIBs.[1] Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) is a powerful method for depth-profiling of batteries' electrode materials. This work investigates aging-induced aluminum deposition on commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries' cathodes. The results illustrate the depth-resolved elemental distribution from the cathode surface to the current collector. An accumulation of aluminum is found on the cathode surface by GD-OES, consistent with results from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) combined with focused ion beam (FIB) cutting. In comparison to FIB-EDX, GD-OES allows a fast and manageable depth-profiling. Results from different positions on an aged cathode indicate an inhomogeneous aluminum film growth on the surface. The conclusions from these experiments can lead to a better understanding of the degradation of the aluminum current collector, thus leading to higher lifetimes of LIBs.