Batterietagung Münster | 09.-11. April 2024 | Wir stellen aus, kommen Sie vorbei!
Lösungen
Batterie(zell)test
Forschung und Entwicklung an Batteriezellen, allen voran an der Lithium-Ionen-Batterie (LIB), ist heutzutage allgegenwärtig. Die Batteriezelle, als kleinste Einheit in zum Teil großen Zellverbünden (Modulen und Packs), spielt eine entscheidende Rolle für die emissionsfreie Elektromobilität, ausdauernde Smartphones oder die effektive Speicherung erneuerbarer Energie.
Aus den zahlreichen Einsatzgebieten von Batteriezellen ergeben sich viele Aspekte, auf die Forscher oder Entwickler, Chemiker oder Ingenieure bei ihrer Arbeit blicken. Gemeinsam ist allen die Untersuchung der Zelle hinsichtlich ihrer elektrochemischen Prozesse. Genau an diesem Punkt setzen unsere Lösungen, mit dem Ursprung in der klassischen Elektrochemie, an.
Unsere Messtechnik basiert auf der hochflexiblen Elektronikarchitektur des Potentiostaten/Galvanostaten, also Laborgeräten mit hoher Messgenauigkeit und -präzision bei sehr flexibler Anwendung. Dabei bilden Präzision und Genauigkeit mit Skalierbarkeit und Robustheit eine Symbiose, die eine besonders kostengünstige Lösung für Ihre Problemstellung ergibt.
Mehrkanalpotentiostate
Mehrkanalpotentiostate sind außergewöhnlich flexibel bei gleichzeitig hohem Messdurchsatz. Insbesondere im Forschungsbereich wird diese Vielfältigkeit geschätzt, um verschiedenste Messprotokolle ausführen zu können. Einerseits dauern Zyklisierungsversuche mehrere Wochen, sodass eine hohe Messplatzkapazität benötigt wird, andererseits werden für verschiedene Typen von Batteriezellen ganz unterschiedliche Messmethoden benötigt. Mehrkanalgeräte bieten hierfür die höchste Bandbreite an Techniken, wie Impedanzspektroskopie, Cyclovoltammetrie oder Titrationstechniken (PITT/GITT). Zugunsten einer hohen Messauflösung und -genauigkeit besitzen Mehrkanalpotentiostate zumeist mehrere Strom- und Spannungsmessbereiche und es kann in allen vier Quadranten (positive und negative Strom- und Spannungsrichtung) gearbeitet werden. Die beiliegenden Softwarepakete sind zumeist sehr umfangreich im Funktionsumfang, spezielle Benutzeroberflächen für Batterieuntersuchungen vereinfachen jedoch die Bedienung. Das volle Einsatzpotenzial eines Potentiostaten bleibt trotzdem immer erhalten.
Zyklisierer
Batteriezyklisierer sind gegenüber Potentiostaten schalttechnisch wesentlich einfacher aufgebaut, sodass Strom- und Spannungsauflösung zumeist wesentlich schlechter ausfallen. Zyklisierer benötigen jedoch für ihre eigentliche Aufgabe keine hochaufgelöste Strom-/Spannungsmessung. Sie werden hauptsächlich für spezialisierte Routineuntersuchungen, wie im Bereich End-of-Line oder Qualitätssicherung, eingesetzt, wobei die Messparameter kaum variiert werden müssen und standardisierte Messprotokolle eingesetzt werden. Daher müssen Zyklisierer typischerweise optimal auf die Anwendung angepasst sein, also beispielsweise im zu erwartenden Strombereich arbeiten. Die Kosten pro Messkanal sind dabei deutlich geringer als beim Potentiostaten, sodass Messplätze mit hohem Messdurchsatz kostengünstig aufgebaut werden können. In der Regel umfassen Zyklisierer ausschließlich Messmethoden zum Laden und Entladen von Batteriezellen, sodass Techniken wie Impedanzspektroskopie oder andere Elektroanalytik nicht angewendet werden kann. Die Bediensoftware von Zyklisierern ist normalerweise möglichst einfach und zielführend aufgebaut.
Vergleich von Potentiostaten und Zyklisierern:
| Parameter | Potentiostat | Zyklisierer |
|---|---|---|
| Auflösung | hoch | gering |
| Genauigkeit | hoch | gering |
| Messbereiche Spannung | mehrere (auch negativ) | einer (positiv) |
| Messbereiche Strom | mehrere (nA bis A) | wenige / einer |
| max. Strom | 10 bis 100 A | 100 bis 1000 A |
| Messmethoden | vielfältig | Laden / Entladen |
| Software | umfangreich / komplex | einfach / limitiert |
| Kosten pro Messkanal | teuer | günstig |
Für einen vollständigen Batteriezellenmessplatz sind neben einem Mehrkanalmesssystem noch weitere Komponenten nötig. Die Kontaktierung der Batteriezellen in Zellhaltern beispielsweise, kann auf verschiedene Arten erfolgen. Dies ist logischerweise abhängig vom eingesetzten Zelltyp, die im folgenden Abschnitt aufgeführt sind. Darüber hinaus kann die Verwendung von Klima- und Umweltkammern nötig oder sinnvoll sein.
Zelltypen
Gängige Zelltypen sind die Schraubzelle, die Knopfzelle, die Rundzelle und die prismatische Zelle (Ausführungen Hardcover / Pouch).
Die Wahl des Zelltyps richtet sich vorrangig nach dem Einsatz und der entsprechenden Energiedichte. Schraub- und Knopfzellen werden primär im Forschungseinsatz genutzt, da hierbei besonders geringe Materialmengen und entsprechend kleine Elektrodenflächen verwendet werden können. Durch das besonders simple Zusammen- und Auseinanderbauen ist die Fertigung einfach und flexibel, sowie für nachfolgende, sogenannte post-mortem Untersuchungen geeignet.
Im Gegensatz dazu werden Pouchzellen primär in der seriennahen Forschung und Entwicklung eingesetzt, da hierbei sehr praxisnahe Fertigungsverfahren eingesetzt werden sollten. Darüber hinaus sind Pouchzellen auch das Endprodukt in der Großserienproduktion (Anwendung). Dies gilt ebenso für die Rundzelle und die prismatische Zelle. Zu Entwicklungszwecken werden diese Zelltypen meist eher produktionsnah verwendet, da die Herstellung aufwändiger ist.
Einsatzgebiete unterschiedlicher Zelltypen:
| Zelltyp | Forschung | Entwicklung | Anwendung (LIB) |
|---|---|---|---|
| Schraubzelle | X | - | - |
| Knopfzelle | X | X | - |
| Pouchzelle | X | X | X |
| Rundzelle | - | X | X |
| Prismatische Zelle | - | X | X |
Auswahl der Zellhalter
Entsprechend der verschiedenen Formfaktoren der Zelltypen unterscheiden sich auch die Zellhalter. Einige Zelltypen haben genormte Maße und daher können standardisierte Halter eingesetzt werden. Dies gilt vor allem für Rund- und Knopfzellen. Durch die einheitliche Nomenklatur aus Durchmesser und Höhe haben sich Standardmaße für diese beiden Zelltypen etabliert und entsprechende Halter sind vielfältig verfügbar.
Für Schraub- und Pouchzellen sowie prismatische Zellen gibt es keine vorgeschriebenen Abmessungen, sodass zur Kontaktierung meist auf individuelle Lösungen zurückgegriffen werden muss. Besonders die Schraubzelle, als reines Forschungszellformat, wird zumeist individuell befestigt und angeschlossen, oftmals nur mittels Schraubklemme und Bananenstecker oder Krokodilklemme. Für Pouchzellen gibt es oftmals fertige Klemmlösungen als 2-in-1-System zur Befestigung und Kontaktierung der Zelle. Demgegenüber können prismatische Zellen im simpelsten Fall aufgestellt und dann mittels Schraubkontakt angeschlossen werden.
Klima- und Umweltkammern
Klima- oder Umweltkammern werden vielfach im Bereich Batterietest eingesetzt, wobei verschiedene Zielstellungen zugrunde liegen. Im einfachsten Fall soll mittels Klimakammer eine konstante Temperatur/Umgebung für die Zelle geschaffen werden, wodurch die Reproduzierbarkeit der Messung erhöht oder entsprechend einer Norm geprüft wird. Einige Batterieuntersuchungen haben zum Ziel das Zellverhalten bei besonders hohen oder niedrigen Temperaturen zu analysieren – auch ein gutes Einsatzgebiet für Klimakammern. Besonders das Alterungsverhalten bei hohen Temperaturen oder die Ermittlung von Kenndaten, wie minimale oder maximale Betriebstemperatur werden auf diese Weise bestimmt.
Allgemein kommen Umweltkammern, und zwar solche mit besonderen Sicherheitsmerkmalen, bei Testreihen mit großformatigen Zellen zum Einsatz. Dabei steht neben dem Verhalten bei verschiedenen Umgebungsbedingungen auch die reine Sicherheit im Fokus. Für den Fall eines Defekts (oftmals einhergehend mit dem sogenannten Thermal Runaway, also dem thermischen Durchgehen bzw. selbstfördernden Brand) können Umwelt- und Sicherheitskammern die Laborumgebung vor Beschädigung schützen.