Befüllung in mehreren Schritten

Um das Benetzungsverhalten des Zellkörpers bei Dosierung mehrerer Teilvolu-mina zu untersuchen, wurden drei Zellen mit variierenden ElektrolytvoluTeilvolu-mina, aufgeteilt auf jeweils drei Dosierschritte, befüllt.

Anpassung der Versuchsdurchführung

Da die Druckprofile C und D nicht vorsehen, die Flüssigkeit in mehreren Schrit-ten zu dosieren, wurde ein alternativer Versuchsablauf entwickelt. Die erste und zweite Teilmenge wurde bei Umgebungsdruck in die Zelle dosiert. Nach Dosierung der dritten Teilmenge wurde die Kammer auf 50 mbar evakuiert und die Zelle im Unterdruck versiegelt. Anschließend wurde die Kammer mit der regulären Belüftungsgeschwindigkeit auf Umgebungsdruck belüftet. Nach dem ersten und zweiten Dosierschritt musste die jeweils nächste Elektrolytmenge in die Dosiervorrichtung gegeben werden. Um die Strahlung der Kammer abklin-gen zu lassen, beträgt der Zeitraum zwischen zwei Dosierschritten 15 min.

Die Flüssigkeitsmenge wurde bewusst weiträumig variiert, wobei in den Teil-schritten einer Zelle jeweils gleiche Volumina dosiert wurden. Da die Zellen zwischen den einzelnen Teilbefüllungen nicht aus der Vakuumkammer ent-nommen werden konnten, kann nur die insgesamt dosierte Elektrolytmassem_el angegeben werden, siehe Abbildung 5.17. In den Zellen war der keramische Separator verbaut.

Benetzungsverlauf bei Mehrfachbefüllung

Die erste Teilmenge trägt kaum zur Benetzung des Zellstapels bei. Die Werte von Zelle b und c in Abbildung 5.17 resultieren aus der Tatsache, dass der Auswertungsalgorithmus bei geringen Unterschieden zwischen Referenzbild und zu referenzierendem Bild durch die Berechnung des Schwellwertes jede minimale Abweichung der Bilder zueinander als benetzt interpretiert. Bei Zelle a kommt die erste Teilmenge der Flüssigkeit nicht in Kontakt mit dem Zellstapel, sodass der Benetzungsgrad erst ab der zweiten Dosierung gezeigt wird. Nach Dosierung der zweiten Elektrolytmenge steigt der Benetzungsgrad stark an.

Im Gegensatz zu den Zellen a und b wurde in Zelle c so wenig Elektrolyt dosiert, dass die Benetzungskurve bereits während der zweiten Teilmessung asymptotisch verläuft. Nach Dosierung der dritten Teilmenge weisen die Zellen a und b das übliche Verhalten auf. Auch die Wirkung der Versiegelung ist deutlich erkennbar. Die Steigung der Benetzungskurve erreicht jedoch bis zum Ende der Versuchszeit nicht den Gleichgewichtszustand. Bei den Zellen a und c sinkt der Benetzungsgrad zunächst, da sich die vorhandene Flüssigkeit anfangs homogener verteilt. Dadurch fällt der Grauwert mancher Bereiche unter den Schwellwert. Durch die Siegelung wird Flüssigkeit aus dem Totvolumen an den Zellstapel gedrückt, wodurch der Benetzungsgrad ansteigt. Aufgrund der geringen gesamten Flüssigkeitsmasse von 2,5 g ist der Benetzungsgrad von Zelle c letztlich sehr niedrig.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Benetzungsverhalten bei Dosierung in mehreren Schritten nicht grundsätzlich ändert. Vom Absinken des berechneten Benetzungsgrades durch homogenere Verteilung der Flüssigkeit abgesehen, weisen die Benetzungskurven den üblichen Verlauf auf.

Abbildung 5.17: Benetzungsverhalten dreier Zellen, die mit jeweils drei Teilvolumina der Elektrolytflüssigkeit befüllt wurden. Die Masse m_elgibt an, wie viel Elektrolyt insgesamt in die Zelle dosiert wurde.

5.6.4 Abhängigkeit der Benetzung von der Elektrolytmasse

Aufgrund der zuvor geschilderten Beobachtung wird im Folgenden der Zusam-menhang zwischen der abgefüllten Elektrolytmasse und dem Benetzungsgrad untersucht. Das Elektrolytreservoir der Dosiervorrichtung wurde bei jedem Ver-such mit dem gleichen Soll-Volumen an Flüssigkeit aufgefüllt. Da das Volumen manuell mit einer Kanüle dosiert wurde, ist eine gewisse Schwankung der Flüs-sigkeitsmasse nicht auszuschließen. Außerdem streut die Menge des tatsächlich abgefüllten Elektrolyten durch Verdunstung, Spritzverluste und den Verbleib von Restmengen der Flüssigkeit im Schlauch. Im Mittel über alle Versuche nach Druckprofil C und D beträgt die dosierte Masse 4,57 g bei einer Standardabwei-chung von 0,48 g. Die Masse wurde ermittelt, indem die Zellen vor und nach der Befüllung gewogen wurden. Abbildung 5.18 zeigt die Benetzungsgrade am Ende der einzelnen Messungen nach Druckprofil C und D über der Elektrolyt-masse. Die Trendgeraden deuten an, ob ein Zusammenhang zwischen Masse m_elund Benetzungsgradξbesteht. Der finale Benetzungsgrad der Zellen mit keramischem Separator hängt nur geringfügig von der Elektrolytmasse ab. Das ist am geringen BestimmtheitsmaßR²=0, 1 und an der geringen Steigung der Trendlinie erkennbar, die sich in folgender Geradengleichung äußert:

ξ=0, 48·m_el+85 (5.4)

Die Zellen mit Trilayer-Separator weisen jedoch eine stärkere Abhängigkeit zwischen Elektrolytmasse und finalem Benetzungsgrad auf. Dies drückt sich in der höheren Steigung der Geradengleichung der Trendlinie und dem höheren Bestimmtheitsmaß (R²=0, 18) aus:

ξ=5, 9·m_el+60 (5.5)

Abbildung 5.18 zeigt auch Durchschnittswerte der finalen Benetzung der Zellen nach den zuvor diskutieren Prozessvarianten. Die Durchschnittswerte der Zel-len mit keramischen Separatoren liegen in unmittelbarer Nähe der Trendlinie.

Die bei 50 mbar befüllten Zellen mit Trilayer-Separator weisen durchschnitt-lich eine geringere Elektrolytmasse auf als die 900 mbar-Zellen. Das dürfte ein Grund dafür sein, dass die 900 mbar-Zellen einen höheren Benetzungsgrad aufweisen. Es zeigt sich aber auch, dass der Benetzungsgrad der Zellen mit

Trilayer-Separator, die bei 50 mbar befüllt wurden, leicht unterhalb der Trend-linie liegt. Der Benetzungsgrad der Zellen, die bei einem Kammerdruck von 900 mbar befüllt wurden, liegt hingegen deutlich oberhalb der Trendlinie. Da die Benetzung der Trilayer-Zellen nur leicht von der Elektrolytmasse abhängt, ist ein Einfluss der Prozessparameter, wie in den vorherigen Abschnitten disku-tiert, nicht von der Hand zu weisen. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass mehr Elektrolyt verdunstet, je niedriger der Druck ist und je länger die Zelle diesem Druck ausgesetzt wird.

Abbildung 5.18: Korrelation zwischen Elektrolytmassse und finalem Benetzungsgrad