Energiespeicher und die Rolle der Materialien

Die fortschreitende Elektrifizierung verschiedenster Lebensbereiche, vom Elektrofahrzeug bis zur tragbaren Elektronik, treibt die Forschung und Entwicklung im Bereich der Energiespeicher stetig voran. Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind dabei aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer zum (vorläufig) dominierenden Speichermedium aufgestiegen. Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit dieser Energiespeicher werden maßgeblich von den Eigenschaften ihrer Komponenten bestimmt, insbesondere der Anoden und -Kathodenaktivmaterialien.

Die verwendeten Kathoden-Aktiv-Materialien (CAM) wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) oder Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NMC) bestimmen maßgeblich die Kapazität, Energiedichte und Leistungsfähigkeit einer Batterie. Anodenmaterialien wie Graphit (C) hingegen beeinflussen die Ladegeschwindigkeit, Lebensdauer und Sicherheit der Batterie entscheidend. Je nach verwendeten Materialien werden verschiedene Typen von Lithium-Ionen-Batterien unterschieden.

Der Herstellungsprozess ist äußerst komplex und umfasst eine Reihe kritischer Schritte, die von der Pulversynthese bis zur finalen Elektrodenfertigung reichen. Eine der entscheidendsten Phasen, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Mikrostruktur und damit auf die elektrochemischen Eigenschaften des Aktivmaterials hat, ist die thermische Behandlung im Kalzinierungs- und Sinterprozess. Dieser Schritt trägt wesentlich zum Erhalt eines qualitativ hochwertigen und reinen Kathodenpulvers bei.

Der Sinterprozess – Schlüssel zur Materialqualität

Bei der Sinterung des Kathodenmaterials werden fein verteilte Pulverpartikel durch Erwärmen auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes zu einem dichten, festen Körper verbunden. Während dieses Prozesses diffundieren Atome über die Korngrenzen hinweg, wodurch sich die Partikel miteinander verbinden, die Porosität reduziert wird und die Dichte des Materials zunimmt. Für Kathodenaktivmaterialien ist die Sinterung zwischen 700°C und 1100°C entscheidend für die:

Einstellungen der Kristallstruktur und Phasenzusammensetzung:
Die Sintertemperatur und -atmosphäre beeinflussen maßgeblich die Ausbildung der gewünschten Kristallphasen und das Ausmaß der Kristallinität, welche direkt die ionische und elektronische Leitfähigkeit sowie die Stabilität des Materials beeinflussen.

Kontrolle der Partikelgröße und Morphologie:
Die Sinterbedingungen bestimmen das Kornwachstum und die Ausbildung spezifischer Partikelformen, die wiederum die Packungsdichte in der Elektrode und die Zugänglichkeit für das Elektrolyt beeinflussen.

Verbesserung der mechanischen Stabilität:
Durch die Verschmelzung von Korngrenzen und die Verdichtung des Materials wird die mechanische Integrität der Partikel erhöht, was für die Langzeitstabilität der Elektrode unter den Spannungen des Lade-/Entladezyklus unerlässlich ist.

Optimierung der elektrischen Leitfähigkeit:
Eine gute Sinterung sorgt für verbesserte Kontakte zwischen den einzelnen Partikeln und reduziert den elektrischen Widerstand innerhalb des aktiven Materials, was für eine effiziente Stromleitung entscheidend ist.

Die genaue Kontrolle der Sinterparameter wie Temperatur, Haltezeit, Aufheiz-/Abkühlraten und Gasatmosphäre, ist daher von größter Bedeutung, um die optimalen Eigenschaften der Kathodenmaterialien für Hochleistungsakkumulatoren zu erzielen. Eine suboptimale Sinterung führt dazu, dass das Aktivmaterial seine gewünschte Kristallstruktur, Partikelmorphologie und chemische Stabilität nicht vollständig erreicht. Dies resultiert in geringerer Kapazität, erhöhtem Innenwiderstand und reduzierter Lade- und Entladeleistung. Zudem beschleunigen Defekte und instabile Phasen die Alterung der Kathode, was die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des gesamten Akkumulators deutlich beeinträchtigt.

Im Gegensatz zum Kathodenaktivmaterial wird der überwiegende Teil der Anodenmaterialien, insbesondere Graphit (C), nicht klassisch gesintert. Bei synthetischem Graphit erfolgt zwar eine Hochtemperaturbehandlung (Graphitisierung bei 2.500–3.000 °C), diese dient jedoch primär der Ausbildung einer geordneten Kohlenstoffstruktur und nicht der Kornbindung wie bei keramischen Prozessen. Lediglich spezielle Anodenmaterialien, wie Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) oder bestimmte Silizium-Komposite, durchlaufen ebenfalls Kalzinierungs- oder Sinterprozesse, um ihre kristalline Struktur und elektrochemische Stabilität sicherzustellen.

Überwachung des Sinterprozesses mit Prozess-Temperatur-Kontroll-Ringen

Um die Qualität des Sinterprozesses und der Sintergüter sicherzustellen, erfassen Prozess-Temperatur-Kontroll-Ringe (PTCR) den exakten Wärmeeintrag an der Stelle im Ofen an, der sie platziert werden. Die im Außendurchmesser 20mm kleinen pyrometrischen Ringe schrumpfen proportional zur aufgenommenen Wärmemenge und ermöglichen so eine präzise Bestimmung der sogenannten Ringtemperatur (RT). Dadurch lässt sich die thermische Belastung im Ofen unabhängig von der angezeigten Ofentemperatur verlässlich bewerten. Die Ringe können beispielsweise direkt in oder neben den Chargenbehältern platziert werden und durchlaufen den Sinterprozess gemeinsam mit dem Kathodenmaterial – etwa in einem Rollenherd- oder Schubplattenofen. Die PTCR sollten dabei nicht mit dem Sintergut in Kontakt kommen. Zur präzisen Steuerung und Überwachung des Brennprozesses stehen für die Herstellung von Kathodenaktivmaterialien prozessabhängig vordergründig zwei PTCR-Varianten zur Verfügung:

• PTCR UTH (660 - 900 °C) und
• PTCR ETH (850 - 1.100 °C)

Beide Ringvarianten enthalten noch organische Bestandteile (Binder und Lebensmittelfarbe) und müssen daher vor der eigentlichen Verwendung einem ringspezifischen Entbinderungsprozess unter Luft unterzogen werden. Zur Wahl des geeignetsten Ringtyps sollte die Temperatur Ihres Brenn-/Sinterprozesses ungefähr in der Mitte des Temperaturbereiches liegen, welchen der Ringtyp abdeckt. Liegt die maximale Prozesstemperatur im Grenzbereich zweier Ringtypen, fällt die Auswahl unter Berücksichtigung der Prozessbedingungen, wie z.B. der Haltezeit und Atmosphäre, da beide Faktoren die Schwindung des Ringes ebenfalls stark beeinflussen. Insgesamt stehen acht verschiedene PTCR-Ringtypen für den Temperaturbereich von 560 °C bis 1.750 °C zur Verfügung.