Weiterentwicklung und Untersuchung von Materialien auf metallischen Anodenwerkstoffen

Das Teilprojekt der RWTH befasste sich mit siliciumhaltigen Hochkapazitätsanoden und erforschte die geeignete Herstellung der Ausgangsmaterialien und die Integration in eine Batteriezelle. Außerdem waren die strukturellen Eigenschaften der Elektroden und die Prozessierbarkeit und Skalierung der Herstellung von Bedeutung.

Begleitet wurden diese Themen durch eine entsprechende Simulation der eingesetzten Materialien, um ein grundlegendes Verständnis der Prozesse zu entwickeln und Vorhersagen zum Verhalten neuer Werkstoffe machen zu können. Herausforderungen waren hierbei die Zusammenstellung geeigneter Mischverhältnisse und die Prozessierung im Labormaßstab und die Analyse neuer Material- und Grenzflächeneffekte.

Schwerpunkt des Teilvorhabens der RWTH waren siliciumhaltige Anoden für hohe Energiedichten sowie deren Produzierbarkeit. Dabei wurde die gesamte Kette von der Simulation über Laborzellen bis hin zur großtechnischen Beschichtung untersucht. Für die Erhöhung der Energiedichte durch Beimischung von Silicium zum Graphit aktueller Lithium-Ionen-Batterien war insbesondere die deutlich höhere Volumenänderung des Siliciums bei unterschiedlichen Beladungen von Bedeutung.

Die Basis des Teilvorhabens stellten im Labormaßstab gebaute Testzellen dar, die mit unterschiedlichen Beimengungen an Silicium hergestellt wurden. Diese Zellen ermöglichen erste Einblicke in die Leistungsfähigkeit solcher Mischelektroden, zum anderen ermöglichen sie die Parametrierung eines physikalisch-chemischen Batteriemodells auf das neue Material. Die Modellbildung wird dabei auch durch Ergebnisse der umfangreichen elektronenmikroskopischen Untersuchungen unterstützt, die insbesondere Erkenntnisse zu Veränderungen der porösen Struktur bei unterschiedlichen Ladezuständen beitrugen.

Mit Hilfe dieses Modells konnte effizient das Verhalten einer Gesamtzelle aus den einzelnen Materialparametern abgeleitet werden, dies ermöglichte eine starke Beschleunigung des Entwicklungsprozesses sowie eine Optimierung bezüglich des Mischungsverhältnisses und der Elektrodenstruktur. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden dabei direkt an einer Demonstrationsbeschichtungsanlage getestet. Dabei standen insbesondere die Anmischung des Slurries sowie die anschließende Beschichtung und Kalandrierung im Vordergrund.

Die interdisziplinäre und enge Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern MEET, FZ Jülich und der RWTH Aachen im Forschungsprojekt ermöglicht wissenschaftlich fundierte Ergebnisse im Bereich der Steigerung der Leistungsdichte von aktuellen Lithium-Ionen-Zellen. Hierbei ist insbesondere der ganzheitliche Ansatz des Forschungsprojekts, von der makroskopischen Zusammensetzung der Zellen bis hin zur industriellen Prozessierbarkeit, ein entscheidender wissenschaftlicher Erfolgsansatz. Die Ergebnisse können im Anschluss des Projektes von Zellherstellern in Zusammenarbeit mit den Materiallieferanten genutzt werden, um wettbewerbsfähige Zellen produzieren zu können.