Hochenergiematerialien – kosteneffizient und ökologisch prozessiert

Zur evolutionären Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie (LIT) steht ein Hochenergiezell-System der Generation 3a/3b (gemäß NPE-Roadmap 2016) als Zelltechnologie im Fokus.

Anodenseitig wird zur Erhöhung der Energiedichte der Einsatz von Kohlenstoff-Silicium-Materialien forciert. Silicium, als Aktivmaterial, zeichnet sich durch eine etwa zehnmal höhere Kapazität gegenüber Graphit aus, jedoch müssen grundlegende Herausforderungen vor der Kommerzialisierung erfolgreich gelöst werden. Durch die starke Volumenausdehnung im lithiierten Zustand sind die Elektroden anfällig für Pulverisierung, Agglomeration der Siliciumpartikel und hohe irreversible Verluste durch Reformierung der Passivierungsschichten, sodass die benötigte zyklische Lebensdauer der Zellen nicht gegeben ist.

Das allgemeine Ziel der am MEET durchgeführten Arbeitspakete ist die Erhöhung der zyklischen Lebensdauer der Hochenergiezelle mit Kohlenstoff-Silicium-Anoden. Die Arbeitsziele bauen sich entlang der inhaltlichen Projektstruktur auf und zielen auf Basis der Materialentwicklung (C/Si-Komposite, Binder, Separator, Elektrolyt) sowie der Entwicklung einer technologisch, wirtschaftlich und ökologisch überlegenen Material- und Prozesstechnik auf die Entwicklung einer innovativen Hochenergiezelle (NCM622 vs. C/Si) ab.

Das MEET befasst sich in AP 1 (Materialentwicklung und Zelldesign) speziell mit der Entwicklung neuartiger Binder für C/Si-Komposite sowie mit der Elektrolytentwicklung zur Steigerung der (Langzeit-)Performance der Hochenergiezellen.

Als mögliche alternative Binder für die wasserbasierte Anodenprozessierung werden seitens MEET naturbasierte Materialien eingesetzt. Ein besonderer Fokus liegt auf der Effizienz des Binders speziell bei höheren Si-Anteilen in der Anode, sodass zur Sicherstellung der essenziellen Bindereigenschaften Rezepturanpassungen im Vergleich zum CMC/SBR-Standardsystem in Erwägung gezogen werden müssen. In Absprache mit dem Projektpartner Arlanxeo sollen die Wirkmechanismen der neuartigen Binder eruiert werden. Basierend auf den Empfehlungen aus den Laborversuchen zur Rezeptur- und Mischprozessoptimierung (MEET) wird sich der Projektpartner iPAT mit der verfahrenstechnischen Validierung der Suspensions- und Elektrodenherstellung im Technikumsmaßstab befassen, bevor schließlich die physikalische, chemische und elektrochemische Bewertung der hergestellten Elektroden erfolgt.

Neben dem Einsatz optimierter Inaktivkomponenten (Binder, Separator) ist auch die Wahl eines geeigneten Elektrolytsystems ausschlaggebend für die elektrochemische Leistung, die Alterung und damit letztlich für die Sicherheit der Hochenergiezelle. In UAP 1.5 liegt der Fokus auf dem Screening und der Entwicklung von Elektrolyten zur Performancesteigerung der NMC622/C-Si-Hochenergiezellen. Auf Grundlage der elektrochemischen und analytischen Charakterisierung wird dem Konsortium ein für den Einsatz in großformatigen Zellen favorisiertes Elektrolytsystem empfohlen.

In AP 5 liegt ein weiterer Schwerpunkt der Aktivitäten am MEET auf der elektrochemischen Charakterisierung und Bewertung von Laborzellen und schließlich großformatigen Zellen im Entwicklungs- und Demonstrationsformat (bis 30 Ah).

Unmittelbarer Nutzen des Teilprojektes bei erfolgreicher Umsetzung ist die Vermarktung neuartiger Binder- und Elektrolytsysteme insbesondere für siliciumhaltige Anoden für Hochenergiezellen der Generation 3a/3b.

Generell soll die Entwicklung neuartiger Binder- und Elektrolytsysteme optimierte elektrochemische Eigenschaften ermöglichen, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zur aktuellen Generation der Lithium-Ionen-Zellen erlauben. Zusätzlich sollen Strategien zur Minimierung der Strukturschädigung durch Lade- und Entladezyklen siliciumhaltiger Anoden erarbeitet werden, welche die Lebensdauer der Kohlenstoff-Silicium-Anoden erhöhen, speziell im Hinblick auf die Kompensation der Silicium-Volumenexpansion.

Zudem besteht die Möglichkeit das geschaffene Know-how, neben der Veröffentlichung in Fachzeitschiften und internationalen Konferenzen, durch einen Wissenstransfer auf andere Forschungsvorhaben zur Rezepturoptimierung und Entwicklung alternativer Batterietechnologien (z. B. Li-S) zu übertragen.