Development of 3D model electrodes with hybrid manufacturing processes (3D-Bat-Hybrid)

采用混合制造工艺开发 3D 模型电极 (3D-Bat-Hybrid)

基本信息

项目摘要

In frame of the project, silicon/graphite (Si/C) anode materials with novel 3D electrode architectures are being developed and evaluated. By combining laser ablation and laser printing (LIFT, laser-induced forward transfer), three-dimensional microstructures and material arrangements are to be represented in model systems with different mass loadings. Using electrochemical methods (cyclic cell tests, galvanostatic intermittent titration technique, electrochemical impedance spectroscopy, cyclic voltammetry) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), the electrochemical characteristics are quantified for the new 3D electrode architectures and possible aging phenomena are identified in order to create optimized design concepts for Si/C anode architectures. The influence of the electrode architectures and lithium diffusion pathways realized through a combination of additive and subtractive structuring methods on the electrochemical characteristics is recorded quantitatively and classified in Ragone diagrams with regard to the electrochemical performance.The following scientific goals are being worked on:1. Development of Si/C anodes with Si proportions in the range of 5-50 wt.% for anode layer thicknesses in the range of 30-150 µm2. Correlation of process parameters, microstructure and the resulting electrochemical properties3. Obtaining a basic understanding of the structure-property relationships by classifying the electrochemical characteristics of electrode architectures with regard to achievable energy and power densities (Ragone diagram)4. Transfer of the structure-property relationships to a cell-based battery model (Comsol®) with effective transport parameters (Newman approach "P4D")5. Identification and evaluation of the cell degradation mechanisms (chemical, mechanical) with regard to the influences of material and microstructure characteristics.A laser-based scientific approach was chosen for the project to counteract Si/C anode degradation caused by locally induced mechanical stresses and deformations. This is to be achieved by introducing three-dimensionally arranged active materials (graphite and silicon), embedded in 3D topographies, with a high Si mass proportion. Due to the enlarged active surface of the 3D electrode structure, charge transfer resistance and diffusion overpotential are reduced, which is important for high charge and discharge currents. This new method is helping to develop energy storage materials for lithium-ion batteries with enhanced power, high rate capability, and longer lifetime.
在该项目的框架内,正在开发和评估具有新型3D电极结构的硅/石墨(Si/C)阳极材料。通过结合激光烧蚀和激光打印(LIFT,激光诱导正向转移),可以在不同质量载荷的模型系统中表示三维微观结构和材料排列。利用电化学方法(循环电池测试、恒流间歇滴定技术、电化学阻抗谱、循环伏安法)和激光诱导击穿光谱(LIBS),对新的3D电极结构的电化学特性进行了量化,并确定了可能的老化现象,以便为Si/C阳极结构创建优化的设计概念。通过加法和减法结构相结合的方法实现的电极结构和锂扩散路径对电化学特性的影响被定量记录,并在Ragone图中对电化学性能进行分类。正在努力实现的科学目标如下:开发Si/C阳极,Si比例在5-50 wt.%范围内,阳极层厚度在30-150µm2范围内。工艺参数、微观结构与电化学性能的相关性通过根据可实现的能量和功率密度对电极结构的电化学特性进行分类,获得对结构-性能关系的基本理解(Ragone图)。将结构-性能关系转移到具有有效传输参数的基于电池模型(Comsol®)(纽曼方法“P4D”)根据材料和微观结构特征的影响,鉴定和评价细胞降解机制(化学、机械)。该项目选择了基于激光的科学方法来抵消由局部诱发的机械应力和变形引起的Si/C阳极退化。这是通过引入三维排列的活性材料(石墨和硅)来实现的,嵌入在三维地形中,具有高Si质量比例。由于三维电极结构的活性面扩大,电荷转移电阻和扩散过电位降低,这对高充放电电流至关重要。这种新方法有助于开发具有增强功率、高倍率能力和更长的寿命的锂离子电池的储能材料。

项目成果

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