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

In diesem Vorhaben zur Erforschung einer Festkörperbatterie ist es geplant, als Anodenmaterial metallisches Lithium einzusetzen. Der Ansatz von Applied Materials hierfür ist, einen inline-fähigen PVD-Prozess zu erforschen, der metallisches Lithium mit hohen Raten und guter Gleichmäßigkeit auf flexiblen Substraten mit großer Fläche abscheiden kann. Ein entscheidender Aspekt für eine eventuelle spätere großtechnische Produktion und die Akzeptanz des entwickelten Batterietyps – neben der elektrischen Leistungsfähigkeit der Batterie - die Herstellkosten. Um die Kosten für die Lithium Anode möglichst gering zu halten, werden hohe Abscheidenraten benötigt; in diesem Zusammenhang werden dynamische Beschichtungsraten im Bereich von einigen µm m/min angestrebt bei einer Schichtgleichmäßigkeit im Bereich von + 5%. Aufgrund der im Projekt gesammelten Daten soll am Ende der Projektlaufzeit eine detaillierte und belastbare Berechnung die Herstellkosten in einer späteren Produktion der Batterie zur Verfügung stehen.

Das Ziel des Teilvorhabens SOLID-metallische Li-Anode liegt in der Erforschung und Entwicklung einer Li-Schicht auf Basis kostengünstiger Herstellungsverfahren, welche durchgehend auf industrielle Maßstäbe skalierbar sind oder von bereits etablierten Verfahren auf die Batterietechnologie übertragen werden.

Für eine erste Qualifikation des Verdampfers bezüglich der erreichbaren Raten und Gleichmäßigkeiten wird ein Prototyp konstruiert und gebaut und in eine bestehende sogenannte sheet-to-sheet Anlage integriert. In dieser Anlage können auf einem vertikal angeordneten Substratträger erste Lithium-Schichten abgeschieden und hinsichtlich der erreichten Dicken analysiert sowie die Gleichmäßigkeit des Verdampfers optimiert werden. Als Ergebnis dieser Arbeitspakets soll ein Prozess stehen, der es ermöglicht, eine metallische Lithium-Schicht als Anode mit einer dynamischen Abscheiderate im Bereich von 1μm m/min und einer Schichtgleichmäßigkeit von +5% zur Verfügung zu stellen, die elektrochemisch stabil gegenüber des verwendeten Elektrolyts ist. Basierend auf den Ergebnissen und den Erfahrungen mit dem Prototyp-Verdampfer soll im nächsten Arbeitspaket ein Hochratenverdampfer konzipiert und gebaut werden. Ziel ist es, eine dynamische Abscheiderate von > 5μm m/min bei einer Schichtgleichmäßigkeit von <+5% zu erreichen. Weiterhin soll die Materialausnutzung des verwendeten Lithiums optimiert werden mit dem Ziel, einen Wert von >80% zu erreichen. Im abschließenden Arbeitspaket wird ein Konzept erarbeitet, das den konzipierten Hochratenverdampfer in eine Rolle-zu-Rolle Anlage integriert, welche die kontinuierliche Beschichtung von flexiblen Substraten mit metallischem Lithium ermöglicht. Basierend auf den Ergebnissen aus den vorhergehenden Arbeitspaketen bezüglich der zusätzlichen Interface- bzw. Schutzschichten sollen diese Prozesse ebenfalls in das Rolle-zu-Rolle Konzept integriert werden, so dass am Ende des Projektes das komplette Schichtsystemen in einem einzigen Durchlauf abgeschieden werden kann.

Durch die stetig steigende Nachfrage im Bereich mobiler Endgeräte, Elektromobilität und stationärer Energiespeicher steigt auch der Bedarf und die Anforderungen an leistungfähige, kostengünstige und sichere Batteriesysteme. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Erhöhung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte der Batterien sowie der Senkung der Material- und Herstellungskosten. Der hier verfolgte Ansatz, die bisher verwendeten Anodenmaterialien (z.B. Graphit) durch metallisches Lithium zu ersetzen, adressiert bei erfolgreichem Projektverlauf die angestrebte Erhöhung der Energiedichte, da sowohl die benötigten Schichtdicken als auch deren Masse signifikant reduziert werden. Durch den Übertrag auf einen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle Prozess wir außerdem angestrebt, einen kostengünstigen Prozess zur Herstellung einer Batterie-Anode im Produktionsmaßstab bereitzustellen.