Lithium-Ionen-Akku mit hoher elektrochemischer Leistung und Sicherheit

Energiespeicher hoher Energiedichte mit einer auf die Anwendung abgestimmten Leistung und mit ausreichender Zyklenstabilität werden für die Marktdurchdringung und Kundenakzeptanz des elektrifizierten öffentlichen und gewerblichen Transportes benötigt. Zudem machen Umweltbelastungen konventioneller Antriebe und die Erschöpfung fossiler Brennstoffressourcen die Suche nach alternativen, nachhaltigeren Technologien zwingend erforderlich. Derzeit kommerziell verwendete Lithium-Ionen-Batterien (LIB) bieten hierbei noch nicht die ausreichenden Energiedichten, um den steigenden Marktanforderungen gewachsen zu sein. Potenziale zur Weiterentwicklung ergeben sich hierbei an vielen Komponenten der gesamten Batteriezelle, insbesondere jedoch an den Elektroden und deren Struktur, welche die Leistungseigenschaften neuer Materialkonzepte maßgeblich bestimmt.

Das LiBEST-Projekt soll über die gezielte Gestaltung der Grenzflächen zwischen siliciumhaltigen Aktivmaterialien und den Elektrolyten, weiterer Optimierung der Elektrolytformulierung (einschließlich Verwendung von Additiven) sowie der Modifizierung bzw. Funktionalisierung der Elektrodenoberflächen zur zukünftigen Verwendung von Anoden- und Kathodenmaterialien mit höherer Energiedichte beitragen.

Dazu werden im Speziellen die Herstellung von Silicium-Graphit-Kompositmaterialien sowie deren Prozessierbarkeit zu fertigen Anoden vom Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig untersucht. Die TU BS adressiert hierbei eine Kombination von material- und prozesstechnischen Lösungen in den Bereichen Silicium-Zerkleinerung, Silicium-Stabilisierung, Silicium-Graphit-Kompositherstellung und der Elektrodenfertigung im Technikums- bis Pilotmaßstab. Verfolgt wird eine gesamtheitliche und wissensbasierte Entwicklung von siliciumhaltigen Anoden hoher Kapazität und Lebensdauer über eine aufeinander abgestimmte Prozessroute von der Zerkleinerung bis hin zur Elektrodenfertigung. Es gilt die Schnittstellen der einzelnen Sub-Prozesse so auszulegen, dass die nachgeschalteten Prozesse eine vorteilhafte Weiterverarbeitung sowie final die gewünschten Struktureigenschaften von Silicium, Silicium-Graphit-Kompositen und daraus gefertigten Elektroden vorliegen.

Ziel sind optimierte und material-adaptierte Prozessbedingungen entlang der Gesamtwertschöpfungskette zur Herstellung siliciumhaltiger Hochkapazitätsanoden. Arbeitsziel in Bezug auf den Batteriebetrieb ist es, über die gezielte Strukturierung der Partikel und Elektroden bei der Zyklisierung die Volumenausdehnungen auch bei hohen Silicium-Anteilen reversibel und ohne messbare Degradation der partikulären Beschichtungen zu realisieren.

Innerhalb von LiBEST streben die Partner an, leistungsstarke Hochenergie-Batterietechnologien zu entwickeln. Die TU Braunschweig erforscht in diesem Kontext Silicium-Graphit-Kompositpartikel für die Elektrodenentwicklung. Konkret wird die Siliciumzerkleinerung und -stabilisierung, die Herstellung von Silicium-Kompositpartikeln und deren mechanische und strukturelle Stabilität untersucht. Hierfür wird die Zerkleinerung von Silicium bis in den Nanometerbereich als kosteneffiziente, sehr gut skalierbare Top-down-Herstellvariante bearbeitet. Im Hinblick auf die Weiterverarbeitung wird zudem die Stabilisierung bzw. Funktionalisierung der Silicium-Partikeloberfläche für eine verbesserte Verarbeitung entlang der Wertschöpfungskette der Silicium-Graphit-Kompositherstellung betrachtet.

Ziel ist die Sicherstellung nanoskaliger Silicium-Partikelgrößen in der Elektrode, d. h. Vermeidung der Agglomeration von Nanosilicium-Partikeln, und damit die Realisierung gesteigerter Zyklenstabilitäten der siliciumhaltigen Anoden. Diese Entwicklung kann als ein wesentlicher Schlüssel für die Entwicklung von LIB-Zellen mit hohem Silicium-Anteil und hoher Zyklenstabilität angesehen werden, da bei höheren Silicium-Anteilen bislang nur unzureichende Lebensdauern erreicht werden.

Weiterführend wird die kontinuierliche Fertigung der Anoden adressiert. Der Vollzellenbau und deren Charakterisierung bei unterschiedlichen Anpressdrücken impliziert zudem die Herstellung hochkapazitiver Referenzkathoden als Gegenelektroden, obwohl Kathoden nicht direkt Gegenstand der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten sind. Die TU Braunschweigs stellt den Projektpartnern Nanosiliciumpartikel, Silicium-Graphit-Komposite sowie Silicium-Graphit-Anoden und NMC-6:2:2-Kathoden zur Verfügung. Des Weiteren findet ein Austausch von Silicium-Graphit-Kompositmaterialien mit den taiwanesischen Partnern statt, die nach Elektrodenfertigung durch die TU BS den Partnern zur weiteren Verwendung und Untersuchung bereitgestellt werden.

Die Entwicklung sekundärer Batterien mit hoher Energie- und Leistungsdichte ist im Hinblick auf das Erreichen wichtiger politischer Ziele wie der Umstellung der Stromversorgung auf erneuerbare Energien oder deutliche Emissionsreduktion im Bereich des Transportsektors durch die Einführung flächendeckender Elektromobilität von entscheidender Bedeutung. Derzeit konkurriert eine Vielzahl unterschiedlicher Technologieansätze einschließlich der LIB und alternativer Technologien (Li/O2, Li/S, Na-Systeme, Feststoffbatterien) um den Einsatz als mögliche Energiespeichersysteme im Bereich automobiler oder stationärer Anwendungen.

Das Forschungsprogramm von LiBEST zielt auf eine signifikante Verbesserung der elektrochemischen Performanz von Batterien basierend auf Lithiummetall- oder Silicium-Graphit-Anoden bei gezielter Verbesserung der Elektrolyte und der Prozessbedingungen für die Hochskalierung der Elektrodenfertigung. Ein erfolgreicher Abschluss des Projektes ermöglicht die Entwicklung einer effizienten Zelle mit erhöhter Sicherheit sowie verbesserter technischer Kenndaten (z. B. Energieinhalt, Lebensdauer, Leistung oder Zyklenstabilität). Die Erkenntnisse des Projektes leisten einen wichtigen Beitrag zur Beurteilung der technischen Umsetzbarkeit hochkapazitiver Anoden und können prinzipiell in industrielle Prozesse eingebracht werden sowie Industrieunternehmen die mögliche Ausrichtung künftiger Arbeiten erheblich erleichtern.