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Batterieproduktion 2016

Wettlauf um die beste Produktionstechnologie

9. November 2015, 12:51 Uhr | Engelbert Hopf

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Neues Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien

Leistungsstarke und günstige Batteriespeicher rücken auch durch die Forschung am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) näher. Wissenschaftler am ZSW haben ein neues Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte als bisherige Materialien aufweist. Darüber hinaus ist das neue Material auch kostengünstiger, es verzichtet auf das teure und seltene Kobalt und nutzt weniger Nickel.

Das Material mit der Formel Li1+xMn1.5Ni0,5O4 besitzt mit mehr als 210 mAh pro Gramm eine deutlich größere Speicherkapazität als heute verwendete oder in Entwicklung befindliche Kathodenmaterialien. Da die Entladespannung zum Großteil bei über 4,5 V liegt, ist auch eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte der gesamten Batterie möglich. Ein weiterer Vorteil des neuen Materials besteht in der deutlich höheren thermischen Stabilität im geladenen Zustand gegenüber bisher gängigen Kathodenmaterialien. Dies verbessert die Sicherheit der Zellen. Auch die bislang ermittelten Lebensdauer-Werte sind erfreulich. Trotz der frühen Entwicklungsphase gelang es bereits, eine gute Zyklenstabilität von mehr als 150 Zyklen ohne Kapazitätsverlust in kompletten Zellen mit Graphit als Anode zu demonstrieren.

Unser lithiiertes, cobaltfreies Lithium-Nickel-Manganoxid ist ein vielversprechendes neues Material für Elektrofahrzeugbatterien«, erläutert Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Leiterin des ZSW-Fachgebiets „Akkumulatoren Materialforschung“, »Kapazität und Energiedichte sind höher, die Kosten geringer und die Produktion auf industrielle Größen hochskalierbar«.

Lasertechnik in der Batterieproduktion

Mit einem anderen Aspekt der Batterieherstellung haben sich Forscher der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Keramische Technologien und Systeme IKTS beschäftigt. Sie gingen der Frage nach, welche kosten- und energieeffizienten Alternativen der Einsatz von Lasertechnik für den Herstellungsprozess von Batterien bietet.

Im Mittelpunkt des gemeinsamen Projekts „DRYLAS – Energieeffiziente, laserbasierte Trocknung von Elektrodenbeschichtungen für Lithium-Ionen Akkumulatoren“ steht die energieeffiziente Trocknung von Elektrodenschichten, sogenannten Slurries. Sie werden während der Batterieproduktion nass-chemisch auf die stromleitenden Metallfolien aufgebracht. Bisher werden Durchlauföfen für diesen Prozess eingesetzt – »ein nicht sehr energieeffizientes Verfahren«, wie Dr. Dominik Hawelka, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT feststellt. Als Alternative zum Durchlaufofen haben die beiden Fraunhofer-Institute einen Inline-Prozess entwickelt, der sich bereits bei ersten Tests mit dem Faserlaser-Trocknungsmodul in einer Rolle-zu-Rolle-Anlage des Fraunhofer IKTS in Dresden bewährt hat. »Wir können die Laserstrahlung direkt in die Slurries einbringen und sie so wesentlich effizienter trocken«, berichtet Dr. Hawelka, »unser Trocknungsprozess kommt etwa mit der Hälfte der sonst beim Durchlaufofen notwendigen Energie aus«. Beide Institute haben zudem nachgewiesen, dass sich mit den Faserlaser-getrockneten Elektroden Batteriezellen aufbauen lassen, die genauso einwandfrei funktionieren wie konventionell im Durchlaufofen behandelte Komponenten.

Das Fraunhofer ILT nutzt seine Kompetenz in Sachen Lasertechnik aber auch zur Realisierung photonischer Prozess- und Anlagentechnik im BMBF-Förderprojekt ProSoLitBat, das die Schmid Energy Systems aus Dunningen koordiniert. Im Mittelpunkt dieses Projekts steht die industrielle, kontinuierliche Produktion von Lithium-Festkörperbatterien in Dünnschichttechnik. Ziel des Projekts ist es, bis 2017 eine Rolle-zu-Rolle-Prozesskette als Alternative zum bisher eingesetzten Vakuumverfahren zu entwickeln.

»Im Gegensatz zum diskontinuierlich arbeitenden Vakuumverfahren lassen sich durch eine kontinuierliche Fertigung signifikant höhere Stückzahlen zu geringeren Kosten produzieren, wodurch sich der Lithium-Feststoffbatterie deutlich breitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen«, erläutert Christian Hördemann, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT. »Wir haben eine erste unter Schutzgas-Atmosphäre arbeitende Versuchsanlage aufgebaut«, so Hördemann, »mit der wir jetzt Batterien mit integriertem Ultrakurzpulslaser konfektionieren können.« Schmid Energy Systems soll den in Aachen entstanden Prozess dann zur Serienreife bringen.