Battery Cell Technology

Das MEET Batterieforschungszentrum untersucht innerhalb dieses Projektes neue Materialien in Bezug auf die Leistungsfähigkeit für die Solid-State-Batterie sowie neue und innovative Methoden für die Elektrodenherstellung.

Ein Ziel des Projektes ist, die Standard-Technologie in Bezug auf Energiedichte und Produktionskosten zu optimieren. Die angestrebten Energiedichten für die SSB von ~1.000 Wh/L und ~350 Wh/kg auf Zellebene sollen bei Raumtemperatur mit Lade-/Entladegeschwindigkeiten <30 min verfügbar sein. Gleichzeitig werden kritische Produktionstechnologien für Batteriezellen weiterentwickelt und an die neuen Anforderungen der SSB angepasst. Im Rahmen der Produktions- und Prozesstechnologien spielen die Beschichtungsgeschwindigkeiten für Elektroden und Festkörper-Elektrolyt eine bedeutende Rolle. Hier sollen zukünftig Beschichtungsgeschwindigkeiten für Kathode und Festkörper-Elektrolyt von >100 m/min erreicht werden und weiterhin der langwierige und kostenintensive Formierungsprozess bestenfalls ganz entfallen.

Das MEET Batterieforschungszentrum arbeitet in der Forschung und Entwicklung an innovativen elektrochemischen Energiespeichern mit höherer Energiedichte, längerer Haltbarkeit und maximaler Sicherheit und trägt im Projekt ebenfalls weitreichende Erfahrungen bei der Untersuchung von Batteriealterungsprozessen bei.

Die Entwicklung und Analyse von passivierten Lithium-Metall-Anoden für SSB spielt eine wichtige Rolle in der Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte der Batteriezelle. Im Projekt werden Lithium-Legierungen und auch Lithium-Pulver-Materialien untersucht.

Vielversprechende Cobalt-arme Hochvoltkathoden werden auch mit Hilfe von verschiedenen Analysenmethoden charakterisiert. Aufgrund des hohen Nickel-Anteils sowie der gesteigerten Zellspannung dieser Kathoden und der starken Reaktionsfähigkeit der Lithium-Anoden werden die auftretenden Zersetzungsreaktionen untersucht. Diese Elektroden werden sowohl mit flüssigen als auch mit festen Elektrolyten getestet.

Die Trockenbeschichtung für die Elektrodenherstellung ist ein innovatives Verfahren, das innerhalb dieses Projektes ebenfalls weiterentwickelt wird.

Ein lösemittelfreier Prozess führt zu Platz sparenden Beschichtungsanlagen. Auf den Einsatz langer Trocknerstrecken und die Rückgewinnung der (toxischen) Lösemittel kann verzichtet werden. Ebenso kann der Herstellungsprozess sich positiv auf den Restfeuchtegehalt der Elektrode auswirken und die Trocknung vor dem Zellbau kann ebenfalls kürzer ausfallen. Dies kann sich ebenfalls positiv auf die Energiebilanz auswirken.

Am Ende sollte das Ziel sein, energieoptimierte Zelle mit metallischem Lithium und den Cobalt-armen Hochvoltkathoden mit einer Gesamtkapazität von mehreren hundert Milliamperestunden zu entwickeln, ohne Abstriche bei der Sicherheit und Zyklenstabilität zu machen.

Ausgehend von den im Projekt entwickelten Materialien und Herstellungsverfahren soll zudem auf Basis eines Kostenmodells die Wirtschaftlichkeit der SSB analysiert werden, um das Marktsegment sowie die Produktion von Batterien in Deutschland zu stärken. Gerade die Investitionen in eine Zellfertigung sind mit hohen Risiken verbunden. Fertigung und Zelldesign sind durch zahlreiche Patente geschützt und werden stetig weiterentwickelt. Die Investitionen müssen deshalb in die nächste Generation der Lithium-Batterie-Technologie und deren Fertigung fließen. Nur durch die enge Verknüpfung von Zelltechnologie und Fertigung lassen sich Wettbewerbsvorteile erarbeiten, die eine Zellfertigung in Deutschland nachhaltig und wirtschaftlich machen. So sollen durch neuartige Fertigungstechnologien die Investmentkosten um 30 bis 50 Prozent reduziert werden.

Die SSB-Zelltechnologie befindet sich noch immer im Entwicklungsstadium und bedarf weiterer Forschung und Entwicklung.