Entwicklung einer temperaturstabilen Lithium-Ionen-Zelle

Ziel ist es, für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIBZ) einen besonders verlustarmen, thermisch stabilen und sicheren Separator auf der Basis von biaxial verstrecktem Polypropylen zu entwickeln.

Polyolefine sind heute schon aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften, wie Verarbeitbarkeit, Preis und chemischer Beständigkeit, ein gängiges Ausgangsmaterial für Separatoren für die Anwendung in LIB. Limitierend bei der Anwendung in großformatigen LIBZ und bei erhöhten Temperaturen wirken sich aber mangelnde Temperaturbeständigkeit und thermischer Schrumpf aus, insbesondere bei den am häufigsten verwendeten Polyethylen-Separatoren.

Basierend auf Treofans Know-how der Herstellung von biaxial orientierten Polypropylenseparatoren für LIB soll ein neuer Separator entwickelt werden, der über bessere Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Polyolefinseparatoren verfügt. Über den Prozess der Co-Extrusion soll der Separator zusätzlich verbessert werden.

Die heute zur Erhöhung der Zellsicherheit üblichen keramischen Beschichtungen von Separatoren tragen zwar zur Sicherheit der Zellen bei, können das Kollabieren der Separatoren infolge thermischer Belastung aber nicht verhindern. Zudem führen diese Coatings zu einem zusätzlichen Widerstand in der Zelle, was dann beim Laden und Entladen zu einer zusätzlichen Erwärmung der Zelle und zu einer Verringerung der Lebenszeit der Zelle beiträgt.

Porosität und Porenstruktur haben entscheidenden Einfluss auf Performance und Lebensdauer der Zellen. Von Treofan wird durch Auswahl spezieller Polyolefine und optimierter Prozessführung ein Separator entwickelt, der auch bei hohen Temperaturen nur sehr geringe Erweichung und Schrumpf zeigt und in Folge dessen auch im vorgegebenen Temperaturbereich nicht kollabiert.

Die Technologie der biaxialen Orientierung (biaxiales Strecken) von Polypropylen-Folien kombiniert mit der Technologie der Co-Extrusion ermöglicht es, keramische Füllstoffe in einzelnen Schichten einzubringen, um den zusätzlichen Schritt des keramischen Coatings zu ersetzen. Weiterhin können in einzelnen Schichten auch Substanzen eingebaut werden, die Elektrodengifte (z. B. HF) neutralisieren oder absorbieren und so das Leben der elektrochemischen Zellen entscheidend verlängern.

Hybrid-Rezepturen: Ziel ist die Entwicklung neuer organisch-anorganischer Komposite als Rohstoff für die Coextrusion thermisch stabiler Schichten im Separator. Die anorganischen Partikel sind so zu wählen, dass die Porengröße des Separators nicht nachteilig beeinflusst wird. Hierzu müssen nanoskalige Partikel ausgesucht werden und in die Polymermatrix eincompoundiert werden. Eine besondere Herausforderung stellt hier das agglomeratfreie Eincompoundieren der Partikel in die Polymermatrix dar. Agglomerate führen zu unerwünschten Fehlstellen im Separator und zu mangelnder Verarbeitbarkeit in der Produktion.

Zusatz von Scavengern für Zellgifte: Ziel ist das Einarbeiten von Substanzen, die schädliche Zellgifte neutralisieren oder absorbieren, die als Abbauprodukte des Elektrolyts und der Elektroden während des Batterielebens anfallen. Hierzu muss man zum einen die Zellchemie, zum anderen auch die daraus resultierenden Abbauprodukte kennen. Die Zusätze sind so zu wählen und einzuarbeiten, dass sie keine negativen Einflüsse auf Porenstruktur und Verarbeitbarkeit haben.

Coextrusion mit Hybridschichten (Polymer-anorganische Partikel als Scavenger für Abbaukomponenten, thermische Stabilität und homogene Verteilung): Die neu entwickelten Compounds müssen zunächst auf der Pilotanlage zu Separatoren für Basisuntersuchungen verarbeitet werden. Hierbei werden die verschiedenen Rezepturen auf Laufsicherheit und die geforderten Eigenschaften überprüft. Die meistversprechenden Rezepturen werden dann in Produktionstests auf Prozessfähigkeit geprüft und die Produktionsparameter optimiert, um die geforderten qualitativen Ansprüche zu erfüllen.

Produktion eines Prototypen des neuen Separators – coextrudierte Folien mit funktionellen Schichten: Nach allen Optimierungsversuchen und positiven externen Testergebnissen der Projektpartner ist eine erste Prototypenproduktion geplant.

Das Ziel, in dem Projektvorhaben Separatoren mit verbesserter Temperaturstabilität zu entwickeln, geht einher mit dem Kenntnisgewinn zu neuen Produktionsprozessen für verstreckte Separatorfolien und dem Erarbeiten von wissenschaftlichen Erkenntnissen. Das Verstehen der Abbaumechanismen von Zellkomponenten in der Batterie und dem Einfluss der Separatoreigenschaften auf diese Mechanismen ist wesentlich für zukünftige Verbesserungen und Weiterentwicklungen neuer Separatortypen.

Zellen mit verbesserter Temperaturbeständigkeit werden in fast allen Anwendungsbereichen, auch über die Elektromobilität hinaus, gefordert, sodass diesbezüglich verbesserte Produkte wichtig für das Erschließen und die Positionierung in alternativen Märkten sind, wie etwa auch der stationären Energiespeicherung.

Die temperaturbedingte Degradation von Batteriekomponenten – u. a. Separatoren – spielt auch eine wichtige Rolle bei einigen Alterungsmechanismen in LIB unter Normaltemperatur. So wird der Alterungsprozess in Batterien durch Zyklisieren der Batterien bei erhöhter Temperator (~ 60 °C) durchgeführt, um durch die beschleunigte Degradation die Lebensdauer der Batterien zu simulieren.

Die Projektergebnisse spielen so langfristig und nachhaltig in der Anwendung und Weiterentwicklung von LIB für alle Anwendungsbereiche eine Rolle, sodass eine Verwertung auch außerhalb des Projektkonsortiums in Blick auf die zukünftige Markt- und Technologieentwicklung der LIB sichergestellt wird.

Die Anschlussfähigkeit wird zusätzlich durch eine kontinuierliche Identifikation von Weiterentwicklungen der Konkurrenz sichergestellt, welche die Erfolgsaussichten in der Entwicklung neuer marktfähiger Produkte zusätzlich verbessert.