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Röntgentomografische Untersuchung eines kommerziellen Lithium-Ionen-Kondensators*

  • Frank Wieder , Christoph Kallfaß , Christian Tötzke , Hermann Schier , Klaus Graf , André Hilger , John Banhart , Ingo Manke und Constantin Hoch
Veröffentlicht/Copyright: 28. September 2014
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Materials Testing
Aus der Zeitschrift Materials Testing Band 56 Heft 9

Kurzfassung

Gegenstand dieser Studie ist ein kommerzieller Lithium-Ionen-Kondensator (LIC), welcher einer intensiven Alterung in Form von sukzessive durchgeführten Lade- und Entladeprozessen unterzogen wurde. Die dabei auftretenden dreidimensionalen Veränderungen der inneren Struktur wurden mittels Röntgen-Tomografie analysiert. Mit ansteigender Zyklenzahl finden wir eine Ansammlung von Elektrolytflüssigkeit im Bodenbereich des Kondensators vor. Unter Berücksichtigung der beim Zyklieren aufgezeichneten elektrischen Daten ergibt sich ein klarer Zusammenhang zwischen der Elektrolytverteilung im Bodenbereich und der Leistung des LIC.

Abstract

The correlation between the electrolyte distribution and the capacity of a commercial lithium-ion capacitor (LIC) during charge and discharge is investigated by non-destructive X-ray tomography. The 3D data reveal the accumulation of electrolyte at the bottom of the capacitor. While the accumulation of electrolyte at the bottom grows with increasing number of cycles, a marked decrease in capacity is observed. We attribute this effect to the loss of electrolyte within the active area of the LIC.

*Korrespondenzadresse Dr. Ingo Manke HZB, Inst. f. Angewandte Materialforschung Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin E-Mail:

Dipl.-Ing. Frank Wieder studierte von 2005 bis 2009 Werkstoffwissenschaften an der TU-Berlin bis zum Diplom. Im Rahmen seiner Diplomarbeit arbeitete er am Helmholtz-Zentrum Berlin. Dort analysierte er, basierend auf tomografischen Daten, Poren- bzw. Partikelgrößenverteilungen von archäologischen Scherben. Anschließend arbeitete er dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dr. rer. nat. Christian Tötzke studierte Energie- und Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Berlin. Er promovierte 2009 am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) für Materialien und Energie zum Thema Wasserferntransport in Bäumen. Seit 2010 ist er in der Fachgruppe „Bildgebende Verfahren“ des HZB auf dem Gebiet der Brennstoffzellenforschung tätig.

Dr. rer. nat. C. Hoch studierte Chemie an der Universität Freiburg. Nach der Promotion 2003 wechselte er zunächst als PostDoc, dann als wissenschaftlicher Angestellter an das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung Stuttgart. Nach einem einjährigen Aufenthalt an der Universität Stuttgart ist er seit 2002 Habilitand in Festkörperchemie an der LMU München, wo er an polaren intermetallischen Phasen, subvalenten Alaklimetallverbindungen und neuen Kathodenmaterialien für Lithiumionenbatterien arbeitet.

Dr.-Ing. André Hilger studierte physikalische Technik und war nach dem Diplom von 2001 bis 2006 technischer Angestellter am HZB sowie an der Technischen Fachhochschule Berlin. Nach seinem Masterabschluss 2006 war er für die Entwicklung der Neutronentomografie verantwortlich und promovierte dort auf dem Gebiet der „Tomografie mit spinpolarisierten Neutronen“. Seit 2009 arbeitet er an der Weiterentwicklung tomografischer Verfahren mit Neutronen- und Synchrotronstrahlung am HZB.

Prof. Dr. rer. nat. John Banhart ist seit 2002 Leiter des Instituts für Angewandte Materialforschung und Professor am Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien an der TU Berlin. 1991 bis 2001 arbeitete er am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung Bremen. Er habilitierte 1998 in Festkörperphysik an der Universität Bremen. Von 2005 bis 2009 war er Leiter des Bereichs Strukturforschung am HZB.

Dr. rer. nat. Ingo Manke ist seit 2007 Leiter der Fachgruppe „Bildgebende Verfahren“ am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB). Er promovierte in Experimentalphysik auf dem Gebiet der Bildgebung mit Rastersondenverfahren. Seine aktuellen Forschungsfelder sind Entwicklung von bildgebenden Verfahren basierend auf Röntgenstrahlen, Neutronen und Elektronen sowie deren Anwendungen in der grundlagenorientierten und angewandten Materialforschung.

*

Überarbeitete Fassung von: F. Wieder et al., ECS Transactions 53 (2013) 30, p. 211–218

Literatur

1 D.Linden, T. B.Reddy: Handbook Of Batteries, 3rd Ed., McGraw-Hill, New York (2002)Suche in Google Scholar

2 G.Hoogers: Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press LLC, Boca Raton (2003)10.1201/9781420041552Suche in Google Scholar

3 M.Vangari, T.Pryor, L.Jiang: Supercapacitors: Review of Materials and Fabrication Methods, Journal of Energy Engineering ASCE139 (2013), pp. 72–7910.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000102Suche in Google Scholar

4 A.Chandra, Supercapacitors: An Alternate Technology for Energy Storage, Proc. Nat. Acad. Sci. India A82, 79 (2012) 10.1007/s40010-012-0009-9Suche in Google Scholar

5 J.Xu, H.Wu, C.Xu, H. T.Huang, L. F.Lu, G. Q.Ding, H. L.Wang, D. F.Liu, G. Z.Shen, D. D.Li, X. Y.Chen: Structural Engineering for High Energy and Voltage Output Supercapacitors, Chemistry- A European Journal19 (2013), pp. 6451–645810.1002/chem.201204571Suche in Google Scholar PubMed

6 Y. H.Cheng, Assessments of Energy Capacity and Energy Losses of Supercapacitors in Fast Charging-Discharging Cycles, IEEE Trans. Energy Convers.25, 253 (2010) 10.1109/tec.2009.2032619Suche in Google Scholar

7 D.Cericola, R.Kötz: Hybridization of rechargeable batteries and electrochemical capacitors: Principles and limits, Electrochimica Acta72 (2012), pp. 1–1710.1016/j.electacta.2012.03.151Suche in Google Scholar

8 K.Naoi: Nanohybrid Capacitor: The Next Generation Electrochemical Capacitors, Fuel Cells10 (2010), pp. 825–83310.1002/fuce.201000041Suche in Google Scholar

9 A.Oukaour, B.Tala-Ighil, M.AlSakka, H.Gualous, R.Gallay, B.Boudart: Calendar ageing and health diagnosis of supercapacitor Electr. Power Syst. Res.95, pp. 330–338 (2013) 10.1016/j.epsr.2012.09.005Suche in Google Scholar

10 I.Manke, H.Markötter, C.Tötzke, N.Kardjilov, R.Grothausmann, M.Dawson, C.Hartnig, S.Haas, D.Thomas, A.Hoell, C.Genzel, J.Banhart: Investigation of Energy-Relevant Materials with Synchrotron X-Rays and Neutrons, Adv. Eng. Mater.13 (2011), pp. 712–72910.1002/adem.201000284Suche in Google Scholar

11 R. J.Bellows, M. Y.Lin, M.Arif, A. K.Thompson, D.Jacobson: Neutron Imaging Technique for In Situ Measurement of Water Transport Gradients within Nafion in Polymer Electrolyte Fuel Cells, Journal of The Electrochemical Society146 (1999), pp. 1099–110310.1149/1.1391727Suche in Google Scholar

12 C.Tötzke, I.Manke, T.Arlt, H.Markötter, N.Kardjilov, A.Hilger, P.Krüger, C.Hartnig, J.Scholta, J.Banhart: Large area high-resolution neutron imaging detector for fuel cell research, Journal of Power Sources196 (2011), pp. 4631–463710.1016/j.jpowsour.2011.01.049Suche in Google Scholar

13 H.Markötter, R.Alink, J.Haußmann, K.Dittmann, T.Arlt, F.Wieder, C.Tötzke, M.Klages, C.Reiter, H.Riesemeier, J.Scholta, D.Gerteisen, J.Banhart, I.Manke: Visualization of the water distribution in perforated gas diffusion layers by means of synchrotron X-ray radiography, International Journal of Hydrogen Energy37 (2012), pp. 7757–776110.1016/j.ijhydene.2012.01.141Suche in Google Scholar

14 E. H.Lehmann, P.Boillat, G.Scherrer, G.Frei: Fuel cell studies with neutrons at the PSI‘s neutron imaging facilities, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment605 (2009), pp. 123–12610.1016/j.nima.2009.01.143Suche in Google Scholar

15 P.Krüger, H.Markötter, J.Haußmann, M.Klages, T.Arlt, J.Banhart, C.Hartnig, I.Manke, J.Scholta: Synchrotron X-ray tomography for investigations of water distribution in polymer electrolyte membrane fuel cells, Journal of Power Sources196 (2011), pp. 5250–525510.1016/j.jpowsour.2010.09.042Suche in Google Scholar

16 H.Markötter, I.Manke, P.Krüger, T.Arlt, J.Haussmann, M.Klages, H.Riesemeier, C.Hartnig, J.Scholta, J.Banhart: Investigation of 3D water transport paths in gas diffusion layers by combined in-situ synchrotron X-ray radiography and tomography, Electrochemistry Communications13 (2011), pp. 1001–100410.1016/j.elecom.2011.06.023Suche in Google Scholar

17 P. R.Shearing, L. E.Howard, P. S.Jorgensen, N. P.Brandon, S. J.Harris: Characterization of the 3-dimensional microstructure of a graphite negative electrode from a Li-ion battery, Electrochemistry Communications12 (2010), pp. 374–37710.1016/j.elecom.2009.12.038Suche in Google Scholar

18 M. A.Hickner, N. P.Siegel, K. S.Chen, D. S.Hussey, D. L.Jacobson, M.Arif: In Situ High-Resolution Neutron Radiography of Cross-Sectional Liquid Water Profiles in Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Journal of The Electrochemical Society155 (2008), pp. B427–B43410.1149/1.2826287Suche in Google Scholar

19 W.Maier, T.Arlt, K.Wippermann, C.Wannek, I.Manke, W.Lehnert, D.Stolten: Correlation of Synchrotron X-ray Radiography and Electrochemical Impedance Spectroscopy for the Investigation of HT-PEFCs, Journal of the Electrochemical Society159 (2012), pp. F398–F40410.1149/2.024208jesSuche in Google Scholar

20 W.Maier, T.Arlt, C.Wannek, I.Manke, H.Riesemeier, P.Krüger, J.Scholta, W.Lehnert, J.Banhart, D.Stolten: In-situ synchrotron X-ray radiography on high temperature polymer electrolyte fuel cells, Electrochemistry Communications12 (2010), pp. 1436–143810.1016/j.elecom.2010.08.002Suche in Google Scholar

21 R.Kuhn, J.Scholta, P.Krüger, C.Hartnig, W.Lehnert, T.Arlt, I.Manke: Measuring device for synchrotron X-ray imaging and first results of high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells, Journal of Power Sources196 (2011), pp. 5231–523910.1016/j.jpowsour.2010.11.025Suche in Google Scholar

22 G. V.Riley, D. S.Hussey, D. L.Jacobson, In Situ Neutron Imaging Of Alkaline and Lithium Batteries, in Battery/Energy Technology, edited by Z.Ogumi, N. J.Dudney, S. R.Narayanan, 25, 75 (2010), pp. 1–1010.1149/1.3414005Suche in Google Scholar

23 T.Arlt, I.Manke, K.Wippermann, H.Riesemeier, J.Mergel, J.Banhart: Investigation of the local catalyst distribution in an aged direct methanol fuel cell MEA by means of differential synchrotron X-ray absorption edge imaging with high energy resolution, Journal of Power Sources221 (2013), pp. 210–21610.1016/j.jpowsour.2012.08.038Suche in Google Scholar

24 N.Kardjilov, I.Manke, A.Hilger, M.Strobl, J.Banhart: Neutron imaging in materials science, Materials Today14 (2011), pp. 248–25610.1016/S1369-7021(11)70139-0Suche in Google Scholar

25 I.Manke, J.Banhart, A.Haibel, A.Rack, S.Zabler, N.Kardjilov, A.Hilger, A.Melzer, H.Riesemeier: In situ investigation of the discharge of alkaline Zn–MnO2 batteries with synchrotron x-ray and neutron tomographies, Applied Physics Letters90 (2007), 214102 10.1063/1.2742283Suche in Google Scholar

26 A.Haibel, I.Manke, A.Melzer, J.Banhart: In Situ Microtomographic Monitoring of Discharging Processes in Alkaline Cells, Journal of the Electrochemical Society157 (2010), pp. A387–A39110.1149/1.3294566Suche in Google Scholar

27 L.Binder, K.Kordesch: Corrosion of zinc electrode mixtures in alkaline media, Journal of Electroanalytical Chemistry180 (1984), pp. 495–51010.1016/0368-1874(84)83603-5Suche in Google Scholar

28 C.Hoch, H.Schier, C.Kallfass, C.Totzke, A.Hilger, I.Manke: Electrode deterioration processes in lithium ion capacitors monitored by in situ X-ray radiography on micrometre scale, Micro & Nano Letters7 (2012), pp. 262–26410.1049/mnl.2012.0071Suche in Google Scholar

29 L.Zielke, T.Hutzenlaub, D. R.Wheeler, I.Manke, T.Artl, N.Paust, R.Zengerle, S.Thiele: A Combination of X-Ray Tomography and Carbon Binder Modeling: Reconstructing the Three Phases of LiCoO2 Li-Ion Battery Cathodes, Advanced Energy Materials4 (2014) 10.1002/aenm.201301617Suche in Google Scholar

30 D.Schröder, T.Arlt, U.Krewer, I.Manke: Analyzing transport paths in the air electrode of a zinc air battery using X-ray tomography, Electrochemistry Communications40 (2014), pp. 88–9110.1016/j.elecom.2014.01.001Suche in Google Scholar

31 G.Gaiselmann, D.Froning, C.Tötzke, C.Quick, I.Manke, W.Lehnert, V.Schmidt: Stochastic 3D modeling of non-woven materials with wet-proofing agent, International Journal of Hydrogen Energy38 (2013), pp. 8448–846010.1016/j.ijhydene.2013.04.144Suche in Google Scholar

32 R.Thiedmann, I.Manke, W.Lehnert, V.Schmidt: Random geometric graphs for modelling the pore space of fibre-based materials, Journal of Materials Science46 (2011), pp. 7745–775910.1007/s10853-011-5754-7Suche in Google Scholar

33 G.Gaiselmann, C.Tötzke, J.Brinkmann, I.Manke, W.Lehnert, V.Schmidt: 3D microstructure modeling of compressed fiber-based materials Journal of Power Sources 257, 52 (2014) 10.1016/j.jpowsour.2014.01.095Suche in Google Scholar

34 N.Kardjilov, A.Hilger, I.Manke, M.Strobl, M.Dawson, S.Williams, J.Banhart: Neutron tomography instrument CONRAD at HZB, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment651 (2011), pp. 47–5210.1016/j.nima.2011.01.067Suche in Google Scholar

35 S. H.Williams, A.Hilger, N.Kardjilov, I.Manke, M.Strobl, P.-A.Douissard, T.Martin, H.Riesemeier, J.Banhart: Detection system for microimaging with neutrons, Journal of Instrumentation7 (2012) 10.1088/1748-0221/7/02/P02014Suche in Google Scholar

36 N.Kardjilov, M.Dawson, A.Hilger, I.Manke, M.Strobl, D.Penumadu, F. H.Kim, F.Garcia-Moreno, J.Banhart: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A651 (2011), pp. 95–9910.1016/j.nima.2011.02.084Suche in Google Scholar

37 J.Banhart: Advanced Tomographic Methods in Materials Research and Engineering, Oxford University Press, Oxford (2008).10.1093/acprof:oso/9780199213245.001.0001Suche in Google Scholar

Online erschienen: 2014-09-28
Erschienen im Druck: 2014-09-01

© 2014, Carl Hanser Verlag, München

Artikel in diesem Heft

  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. Fachbeiträge/Technical Contributions
  4. Burst Strength of Composite Cylinders – Assessment of the Type of Statistical Distribution
  5. Effects of Zn/Cu Ratio and Silicon on Microstructure, Mechanical Properties, Tarnish and Corrosion Resistance of As-Cast 940 Silver Alloys
  6. Analysis of the Frequency as an Integral Method for the Testing of Anisotropic 3D Sheet Metal Structure
  7. Mechanical and Thermal Properties of a Cu-CNT Composite with Carbon Nanotubes Synthesized by CVD Process
  8. The Mechanical and Electrical Properties of the Ternary Bi-Ga-Sb System
  9. Experimental Investigation of the Corrosion Mechanism of Cemented Soils in Magnesium Sulfate Solution
  10. Experimental and Analytical Study of Masonry Constructions Reinforced with Bed Joints
  11. The Fracture Toughness of Fe2B Formed on Boronized AISI 304
  12. Effects of Ferroboron and Ferrochromium Powder Addition on Abrasive Wear Resistance of Fe-Based Hardfacing Coatings
  13. Fabrication of Al/Mg Bimetal Compound Casting by Lost Foam Technique and Liquid-Solid Process
  14. Effects of Si and Zn on Machinability and Wear Resistance of AZ91 and AS91 Magnesium Alloys
  15. DIRECTT-Rekonstruktionen im Vergleich zur gefilterten Rückprojektion
  16. Reduzierung von Missing-Wedge-Artefakten der CT mit DIRECTT
  17. Röntgentomografische Untersuchung eines kommerziellen Lithium-Ionen-Kondensators*
  18. Machining Parameter Optimization of Bidirectional CFRP Composite Pipe by Genetic Algorithm
  19. Investigation of Lost Foam Casted Aluminum Bimetal Microstructures
  20. Taguchi-Based Grey Relation Optimization of Machining Parameters and Cutting Path Strategies in CNC Pocket Milling Operations
  21. Reliable Evaluation of Acceptability of Weld for Final Disposal Based on the Canister Copper Weld Inspection Using Different NDT Methods
  22. Evaluation of the Reliability of NDTesting in Russian Railway Transport
  23. Vorschau/Preview
  24. Vorschau
https://doi.org/10.3139/120.110611

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  1. Inhalt/Contents
  2. Inhalt
  3. Fachbeiträge/Technical Contributions
  4. Burst Strength of Composite Cylinders – Assessment of the Type of Statistical Distribution
  5. Effects of Zn/Cu Ratio and Silicon on Microstructure, Mechanical Properties, Tarnish and Corrosion Resistance of As-Cast 940 Silver Alloys
  6. Analysis of the Frequency as an Integral Method for the Testing of Anisotropic 3D Sheet Metal Structure
  7. Mechanical and Thermal Properties of a Cu-CNT Composite with Carbon Nanotubes Synthesized by CVD Process
  8. The Mechanical and Electrical Properties of the Ternary Bi-Ga-Sb System
  9. Experimental Investigation of the Corrosion Mechanism of Cemented Soils in Magnesium Sulfate Solution
  10. Experimental and Analytical Study of Masonry Constructions Reinforced with Bed Joints
  11. The Fracture Toughness of Fe2B Formed on Boronized AISI 304
  12. Effects of Ferroboron and Ferrochromium Powder Addition on Abrasive Wear Resistance of Fe-Based Hardfacing Coatings
  13. Fabrication of Al/Mg Bimetal Compound Casting by Lost Foam Technique and Liquid-Solid Process
  14. Effects of Si and Zn on Machinability and Wear Resistance of AZ91 and AS91 Magnesium Alloys
  15. DIRECTT-Rekonstruktionen im Vergleich zur gefilterten Rückprojektion
  16. Reduzierung von Missing-Wedge-Artefakten der CT mit DIRECTT
  17. Röntgentomografische Untersuchung eines kommerziellen Lithium-Ionen-Kondensators*
  18. Machining Parameter Optimization of Bidirectional CFRP Composite Pipe by Genetic Algorithm
  19. Investigation of Lost Foam Casted Aluminum Bimetal Microstructures
  20. Taguchi-Based Grey Relation Optimization of Machining Parameters and Cutting Path Strategies in CNC Pocket Milling Operations
  21. Reliable Evaluation of Acceptability of Weld for Final Disposal Based on the Canister Copper Weld Inspection Using Different NDT Methods
  22. Evaluation of the Reliability of NDTesting in Russian Railway Transport
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