Prakt. Met. Sonderband 50 (2016) 83
Großflächige materialographische Préparation prismatischer Li-
Ionen Zellen (PHEV2) für Energiespeicher
Pius Schirle, Andreas Kopp, Christian Weisenberger, Andreas Jansche, Florian Trier, Timo
Bernthaler, Gerhard Schneider
Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung, Aalen, Deutschland
I Einfiihrung
Lithium-Ionen-Akkumulatoren (LiB) stehen aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte im
Fokus der Elektromobilitit und stationirer Energiespeicher. Im Bereich der ,,Consumer Electronic
hat sich die Verwendung von LiB als elektrisches Speichermedium bereits bewährt und etabliert.
Der Einsatz von prismatischen hochkapazitativen LiB in der automobilen Anwendung (PHEV-
Zellen) erfordert jedoch eine, gegenüber der „Consumer Electronic“, deutliche Steigerung der
Qualitäts-, Leistungs- und Lebendsaueransprüche. Maßgebliche Funktionseigenschaften und die
Qualität, besonders die Lebensdauer der LiB hängen stark vom Gefügeaufbau, von
feingeometrischen Merkmalen und von Fertigungsungénzen wie z.B. Fremdphasen,
Partikelgrößenunterschiede oder Schichtdickenschwankungen ab. Während der Fertigung von LiB
kommt es so auf unterschiedlichen Skalen (Materialebene, Mikrostrukturebene und
Feingeometrieebene) zu Abweichungen von definierten Soll-Vorgaben, sogenannten Defekten. Die
bisher eingesetzten zerstörungsfreien In-Line Verfahren zur Qualitätsüberwachung, wie Kameras,
Computertomographie und Lasertriangulation, können diese skalenübergreifenden und
eigenschaftsrelevanten mikrostrukturellen Veränderungen nur mit unzureichendem
Informationsgehalt darstellen. Der feingeometrische Aufbau und die Struktur der
Elektrodenmaterialien sind nur über mikroskopische Verfahren zu erfassen. Diese Methodik wird
bisher allerdings kaum angewandt. Diese Veröffentlichung zeigt anhand von großformatigen
PHEV2-Zellen wie es mit Hilfe der materialographischen Präparation und mikroskopischer
Analysen möglich ist qualitätsrelevante Merkmale der Elektroden zu ermitteln und die innere
Zellstruktur im verbauten Zustand zu charakterisieren. Der Einfluss einzelner Prozessparameter auf
die Qualität von Elektroden und Jelly Roll kann so systematisch untersucht werden. Damit kann ein
wichtiger methodischer Beitrag geleistet werden, die Einflussgrößen und Wirkmechanismen
innerhalb der komplexen Fertigungsprozesskette von PHEV2-Zellen besser zu verstehen,
Fertigungsprozessparameter zu optimieren und Fertigungstoleranzen wissensbasiert ableiten zu
können. Die in der Elektromobilität verwendete Zellquerschnitte von ca. 150 x 25 mm bei PHEV2-
Zellen, gegenüber einem gängigen Rundzelldurchmesser von 18 — 26 mm, setzen bei der
herkömmlichen materialographischen Präparation und der lichtmikroskopischen Bildaufnahme
neue Maßstäbe.
2 Grundlagen und Stand der Technik
Batterien bestehen aus Elektroden, welche durch einen ionenleitenden Elektrolyt miteinander
verbunden sind. Eine für Ionen permeable Separator-Membran sorgt für die elektrische Trennung
der positiven Elektrode (Kathode) von der negativen Elektrode (Anode). Die Elektroden bestehen
