Innovative Festkörperbatterien auf Basis von Sol-Gel-Materialien mit Lithium-Metallanode und implementierter 3D-Strukturierung

Im Projekt SOLID ist es das Ziel, kostengünstige und skalierbare Verfahren für Lithium-Ionen-basierte Festköperbatterien zu erforschen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die industrielle Forschung im Bereich der Verfahrensentwicklung notwendig. Insbesondere die Kristallisation mittels Sintern mit Hilfe von Laserstrahlquellen stellt eine Herausforderung dar. Die LUNOVU verfolgt im Projekt SOLID das Ziel, einen reproduzierbaren und skalierbaren Prozess für die Kristallisation zu entwickeln. Dabei ist die Zuarbeit der Projektpartner bei der Beschichtung von großer Bedeutung, da diese nicht nur die physikalische Grundlage zur Herstellung der Batterien darstellt, sondern auch die Anforderungen an Prozessfenster und notwendiger Qualität sowie Toleranzen bestimmt.

Da die LUNOVU als Hersteller von Maschinen und Maschinenkomponenten am Markt auftritt, sind neben der Prozessentwicklung auch die Möglichkeiten zur Skalierung und zur Industrialisierung in Form eines Moduls für Roll-zu-Rolle-Systemen Ziele von höchster Wichtigkeit. Das Projekt passt somit hervorragend in das Rahmenprogramm „Vom Material zur Innovation“ und sieht auch bereits die ersten Designs für eine industrielle Verwertung der Ergebnisse gemeinsam mit den Projektpartnern vor.

Grundsätzlich ist die Laserthermische Behandlung von Oberflächen ein bekanntes und verbreitetes Verfahren (beispielsweise zum Härten von metallischen Werkstücken). Durch die gezielt eingebrachte Energie lassen sich Kristallisations- und Schmelzprozesse örtlich und zeitlich ausgezeichnet kontrollieren. Die Herausforderung im Projekt SOLID liegt darin begründet, dass die geringen Dicken der zu behandelnden Sol/Gel-Vorläuferschichten von 100 nm bis 1 µm eine sehr präzise Kontrolle der Fokuslage erfordern. Interdiffusionseffekte zwischen benachbarten Schichten müssen minimiert werden, das heißt möglichst wenig der eingebrachten Energie darf in die Umgebung abfließen. Daneben muss die Schicht so auskristallisieren, dass die Zahl von Defekten, wie Rissen oder Poren, minimiert wird. Dies erfordert neben einer geeigneten Strahlquelle ein hohes Maß an Prozesskontrolle.

Des Weiteren muss der Bearbeitungsprozess von Beginn an nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten konzipiert werden. Die Wirtschaftlichkeit der Serienfertigung von Festkörperbatterien stellt einen entscheidenden Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie in einem hoch-kompetitiven Umfeld dar.

Lunovu erforscht das selektive Kristallisieren von Elektrolytschichten mittels Laser. Der Laserstrahl als Energiequelle ermöglicht das Verdampfen von Binder und Sintern von der Beschichtung. Der Laser als Energiequelle erlaubt eine schnelle, lokale und geregelte Wärmeeinbringung ins Material. Die Wärmeeindringstiefe hängt von den optischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien und der Wellenlänge des Lasers ab. Mit den, von Fraunhofer ISC zur Verfügung gestellten, Materialeigenschaften und Grünfilmproben, erforscht Lunovu die geeigneten Prozessparameter für die Kristallisation von elektrochemisch aktiven Elektrolytsystemen. Dabei wird eine Verminderung von Mischphasen und Diffusionseffekten im Schichtsystem angestrebt. Die morphologischen und elektrochemischen Schichteigenschaften werden ausgewertet.

Einzelschicht Lasersintern: Die von Fraunhofer ISC zur Verfügung gestellten Proben werden mittels Laserstrahlung bearbeitet. Es werden Prozessparametern entwickelt, die eine Bearbeitung des Materials ohne Beschädigung der darunterliegenden Schicht erlauben. Es werden verschiedene Strahlprofile (Rund & Linie) ausprobiert. Lunovu erforscht auch unterschiedliche Strahlquellen. Sowohl die Einsetzbarkeit eines kontinuierlichen Diodenlasers als auch eines Pikosekundenlasers wird untersucht. Als Bearbeitungsstrategie für das Sintern wird auch einen Galvanoscanner verwendet. Die Prozess-entwicklung und -optimierung werden durch Parametern wie Wellenlänge, Laserleistung, Pulsenergie, Fokusdurchmesser und Bearbeitungszeit erforscht. Im Rahmen des Projektes wird auch eine Flächenlaserquelle erforscht, die als alternative Energiequelle für die Kristallisation dünner Elektrolytschichten wirtschaftliche und technologische Vorteile bieten.

Grünfilm Cosintern: Die zuvor ermittelten Prozessparametern werden für das Sintern von Multilayern verwendet. Das selektive Cosintern ohne Beschädigung von unterliegenden Schichten stellt eine große Herausforderung dar. Die Prozessparameter von unterschiedlichen Strahlquellen und Strahlprofilen werden für das Multilayersintern eingesetzt. Lunovu versucht die Möglichkeit von Einsetzbarkeit vom Oberflächentemperaturmessung mittels eines Quotientenpyrometers oder einer Thermographiekamera und Temperaturbezogenen Regelung der Laserleistung. Die Prozessüberwachung erlaubt eine geregelte Optimierung von Wärmeinbringung von Cosintern, und dadurch eine Verminderung der Mischphasen und Beschädigung der unterliegenden Schichten. Die von Fraunhofer ISC zur Verfügung gestellten Proben mit Multilayerschichten wird Lunovu mit Laser weiter ausarbeiten.

AP3.3 Übertragung auf kontinuierlichen Prozess: Die Parameter werden auf den kontinuierlichen Prozess angepasst. Lunovu arbeitet mit dem Konsortialpartner Coatema in Design und Engineering von Laser in dem R2R Prozess zusammen. Dafür stellt Lunovu die systemtechnischen und leistungsbezogenen Anfordrungen zur Verfügung. In enger Zusammenarbeit mit Coatema wird Lunovu den erforschten Prozessparameter in der R2R Anlage integrieren. Es sind die Maschinen-genauigkeiten, Systemkomponenten und anderen Baugruppenspezifikationen zusammengearbeitet. Die im kontinuierlichen Prozess gefertigten Bauteile werden in Zusammenarbeit mit Fraunhofer ISC ausgewertet. Welche mit den Prozessparametern in den kontinuierlichen Prozess übertragen werden. Ein weiterer wichtiger Punkt, die Qualitätseinschätzung, -Sicherung und -Verbesserung der kristallisierten elektrochemisch aktiven Funktionsschichten wird in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern vorgenommen werden.

Die technische Realisierung eines Verfahrens zur Herstellung von Festkörperbatterien mittels Sol-Gel-Verfahren birgt ein enormes Marktpotenzial. Batterien für mobile Endgeräte, Maschinen, als stationäre Energiespeicher und für die Elektromobilität werden in großer Stückzahl benötigt. Nach wie vor ist der Preis pro kWh Batteriekapazität der wesentliche Faktor für den wirtschaftlichen Erfolg einer Batterietechnologie. Somit ist ein effizienter, skalierbarer und modularer Herstellungsprozess der Schlüssel zur Ausschöpfung von Marktpotenzialen für diese Technologie.

Für die LUNVOU bedeutet dies einen erhöhten Bedarf an Maschinenkomponenten für den Herstellungsschritt zur Kristallisierung in Rolle-zu-Rolle-Maschinen. Es ist zwar heute schon abzusehen, dass der Bedarf ab 2020 sprunghaft ansteigen wird, eine Marktbetrachtung für den Absatz der R2R-Module ist aber schwer vorherzusehen. In jedem Falle bietet aber der erfolgreiche Abschluss des Projekts einen großen technischen Vorsprung am Markt. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die enge Zusammenarbeit zwischen Forschung (Materialien, Prozessoptimierungen) und den zugehörigen Produktionsstrategien, in diesem Falle das R2R-Verfahren. Darüber hinaus stellt ein erfolgreicher Projektabschluss einen wesentlichen Schlüssel für einen erfolgreichen Markteintritt der Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien dar.