German Title: Metallfaser basierte 3-dimensionale elektrische Ladungssammler für ultra-dicke Batterie Elektroden

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Abstract

The development of innovative technologies often requires fundamental new materials properties of individual components. In the present work, metastable metal fibers with unique mechanical and thermodynamic properties as well as crystallographic characteristics were linked to form mechanically stable, elastic 3-dimensional networks without changing the geometry, physical and thermodynamic properties of the fibers. The metal fiber networks have been used in lithium-ion battery technology as 3-dimensional current collectors, fundamentally improving battery technology. Worldwide there is an urgent need for improved battery technologies which are more ecological and economical. The metal fibers produced by a Melt spinning process are based on a copper silicon alloy. The basic physical and thermodynamic properties as well as the crystallographic state of the metal fibers were first quantified. The metal fibers had a length of several centimeters, a width of 10-100 micrometers, and a thickness of 2-10 micrometers. The mechanical properties were quantified as a function of metal fiber dimension, crystallographic and thermodynamic state. In particular, the thermodynamic metastable phase was shown to be instrumental for linking the metal fibers. During the metal fiber fabrication process, the molten metal is cooled and solidified within a few milliseconds. As a result, the crystalline structure at room temperature is not in a thermodynamic equilibrium, the stored energy of which was determined. A permanent linkage of the metal fibers was successfully implemented by cold and warm sintering of the fibers without affecting the basic geometry and partly the physical as well as thermodynamic properties of the fibers. Low activation of atomic diffusion by means of mechanically built-up pressure or temperature resulted in a linkage preferentially at the contact points between fibers. The reason for this is the crystallographic energy stored in the fibers during quenching of the molten metal. The 3-dimensional metal fiber networks were investigated in terms of their suitability as electrical current conductors in lithium-ion batteries. In particular, this work focused on improving the mechanical and electrical properties of lithium-ion batteries, which are the basis for a variety of processes in batteries. In principle, the 3-dimensional metal fiber networks enabled the fabrication of functional super-thick battery electrodes, which have a significantly increased surface capacitance of greater than 8 mAh cm-1.

Translation of abstract (German)

Die Entwicklung innovativer Technologien bedarf oft grundlegender neuer Materialeigenschaften einzelner Komponenten. In dieser Arbeit wurden metastabile Metallfasern mit einzigartigen mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften sowie kristallografischen Charakteristika zu mechanisch stabilen, elastischen 3-dimensionalen Netzen verknüpft, ohne dass die Geometrie und die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften der Fasern verändert wurde. Die Metallfasernetze wurden als 3-dimensionale Stromkollektoren in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie eingesetzt und verbessern damit grundlegend die Batterietechnologie. Prinzipiell werden verbesserte Batterietechnologien in vielen gesellschaftlich relevanten Anwendungen dringend benötigt, um deren Energieverbrauch ökologischer und ökonomischer zu gestalten. Die durch ein Meltspinning-Verfahren hergestellten Metallfasern basieren auf einer Kupfer-Silizium-Legierung. Die grundlegenden physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften sowie der kristallographische Zustand der Metallfasern wurde quantifiziert. Die Metallfasern wiesen eine Länge von mehreren Zentimetern, eine Breite von 10-100 Mikrometern und eine Dicke von 2-10 Mikrometern auf. Die mechanischen Eigenschaften wurden als Funktion der Metallfaserdimension und des kristallographischen und thermodynamischen Zustandes quantifiziert. Insbesondere erwies sich die thermodynamisch metastastabile Phase für die Verknüpfung der Metallfasern als grundlegend. Während des Herstellungsprozesses der Metallfasern wird die Metallschmelze innerhalb weniger Millisekunden abgekühlt und zur Erstarrung gebracht. Als Folge befindet sich die kristallische Struktur bei Raumtemperatur nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, deren gespeicherte Energie bestimmt wurde. Eine dauerhafte Verknüpfung der Metallfasern wurde durch das kalte und warme Sintern der Fasern erfolgreich dargestellt, ohne dass die grundlegende Geometrie und teils die physikalischen sowie thermodynamischen Eigenschaften der Fasern beeinträchtigt wurden. An den Kontaktpunkten zwischen den Fasern zeigt sich bevorzugt eine Verknüpfung durch geringe Aktivierung atomarer Diffusion mittels mechanisch aufgebauten Drucks oder Temperatur. Grund hierfür ist die beim Abschrecken der Metallschmelze in den Fasern kristallographisch gespeicherte Energie. Die 3-dimensionalen Metallfasernetze wurden hinsichtlich ihrer Eignung als elektrische Stromableiter in Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Vor allem die Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien, die die Grundlage für eine Vielzahl von Prozessen in Batterien sind, stand in dieser Arbeit im Vordergrund. Die 3-dimensionalen Metallfasernetze ermöglichten grundsätzlich die Darstellung funktionsfähiger superdicker Batterieelektroden, die eine deutlich erhöhte Flächenkapazität von größer 8 mAh cm-1 aufweisen.