Effizientere Elektroden für Lithium-Ion

Ressourcenschonend und effizient

20. April 2023, 13:47 Uhr | Engelbert Hopf

Rolle-zu-Rolle-Pilotbeschichtungsanlage Novoflex 600, auf der der neue Prozess zur Abscheidung kolumnarer Siliziumschichten entwickelt wird

Das Förderprojekt »revoLect« vereint acht Projektpartner aus Industrie und Forschung, die in einem Zeitraum von drei Jahren anwendungsnah entlang der gesamten Prozesskette an der Herstellung ressourcenschonender und hocheffizienter Lithium-Ionen-Zellen arbeiten.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projektes »revoLect« verfolgen die acht beteiligten Partner aus Industrie und Forschung zwei Hauptansätze bei ihrer Forschung: den Ersatz der bisher üblichen Metallfolien durch eine metallisierte Gewebestruktur als Stromsammler und den Einsatz von Silizium als Anodenmaterial.

Diese Technologie erfordert im Vergleich zu etablierten Verfahren einen geringeren Einsatz von Primärrohstoffen wie etwa Kupfer und Aluminium. Gleichzeitig ermöglicht die Technologie aber auch höhere Energiedichten und dadurch weitere Materialeinsparungen von der Zell- bis zur Systemebene. Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt im Rahmen des Forschungsprojekts revoLect ist der Einsatz von reinem Silizium als Anodenmaterial in Kombination mit der leichten Gewebestruktur der Elektroden.

Im Rahmen des Projektes bündeln die acht Partner ihre jeweiligen Kompetenzen entlang der gesamten Prozesskette der Batterieproduktion. So ist der Projektpartner Porcher Industries Germany ein Spezialist für die Fertigung von Glasgeweben aus Glasfilamentgarnen. Im Rahmen des Projekts entwickelt das Unternehmen ultraleichte Glas-Gewebe als Basis für die Stromkollektoren. Parallel dazu arbeitet das Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der Technischen Universität Dresden an der Realisierung ultraleichter Carbongewebe auf Basis einer Carbonspreiztechnologie für die hocheffizienten Elektroden.

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Im nächsten Schritt werden die entwickelten Carbon- und Glasgewebe von der Firma elfolion durch vakuumtechnische Verfahren für den Einsatz als Stromkollektoren metallisiert. Das Stromkollektor-Bandmaterial wird zur Herstellung von Elektroden im Verbund bereitgestellt. elfolion selbst strebt die Realisierung einer Zell-Kathode bestehend aus fraktalen porösen Festkörperstrukturen, welche die Aktivkomponente der Elektrode darstellen, an. Durch die offenmaschige und leichte Struktur der Gewebe und die poröse Beschichtung werden gegenüber dem Stand der Technik ein deutlich reduzierter Materialeineinsatz sowie größere aktive Oberflächen erreicht.

Infolgedessen wird sowohl die masse- als auch die volumenbezogene Energiedichte der Akkuzellen deutlich gesteigert.

Am Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) werden Prozesse zur Beschichtung der gewebebasierten Stromkollektoren mit Elektrodenmaterialien auf Slurry-Basis erarbeitet. Dazu wird unter anderem die Pilotanlage zur Zellproduktion auf die Verarbeitung der neuartigen Materialien adaptiert. Darüber hinaus untersucht die RWTH die Auslegung und Produktion der Batteriezellen beruhend auf den durch die anderen Projektpartner zur Verfügung gestellten Komponenten.

Das Ziel des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektrodenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Abscheidung von Silizium auf Gewebestrukturen. Wie Claus Luber, Wissenschaftler im Bereich Forschung und Entwicklung am FEP, erläutert, »müssen die Siliziumschicht und die Gewebestrukturen so aufeinander abgestimmt werden, dass hinsichtlich der gravimetrischen Energiedichte der Anode ein Optimum erzielt werden kann«. Bezüglich der Entwicklung von Rolle-zu-Rolle-Technologien kann das Fraunhofer FEP auf eine jahrzehntelange Erfahrung zurückblicken. »Darauf aufbauend«, so Lauber, »werden wir einen passenden und ökonomisch attraktiven Rolle-zu-Rolle-Bedampfungsprozess entwickeln«.

Im nächsten Schritt beschichtet der Partner Customcells die neuartigen Substrate mit Elektrodenpaste unter industrieüblichen Bedingungen. Anschließend wird dann durch elektrochemische Messungen die Leistungsfähigkeit der Batterien geprüft.
Projektbegleitend beschäftigt sich das Institut für Experimentelle Physik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg mit der Charakterisierung der prozessierten Einzelkomponenten sowie Knopf- und Pouch-Zellen. Daraus werden dann Mikrostruktur-Eigenschaft-Korrelationen sowie Designvorschläge und Prozessierungsparameter für die Kooperationspartner abgeleitet.

Abschließend schaltet die Firma Romonta die hergestellten Zellen zur Batteriesystemen zusammen und führt abschließende praxisbezogene Anwendungstests durch. In der Auswertung sollen Zellparameter wie etwa Alterung sowie Strom- und Spannungsfestigkeit analysiert und auf die Anwendung im mobilen Bereich übertragen werden. Auf diese Weise soll die leistungsstarke Performance der Lithium-Ionen-Zellen sichergestellt werden.