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Unterschiedliche Ansätze für neue Anoden für Lithium-Ionen-Batterien

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Darstellung der Entwicklungsschritte und Arbeitsstruktur im Projekt ProSiSt

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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Wissenschaftskommunikation

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Grundlagen der Dünnschicht- und Ätztechnik und der Zellkonzepte

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt. In Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen reine Silicium-Anoden (durch Substitution von herkömmlichen Graphit-Anoden) potenziell eine drastische Steigerung der volumetrischen Energiedichte von 676 Wh/L auf etwa 1.000 Wh/L, also um ca. 40 Prozent.
Ziel dieses Vorhabens ist es, die Technologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mit deutlich gesteigerter volumetrischer Energiedichte zu entwickeln. Eine große Herausforderung ist dabei die Erzeugung idealer Schichtstrukturen und -gefüge, welche die drastischen Volumenänderungen des Siliciums bei Lade- und Entladevorgängen über mehrere hundert Zyklen effektiv kompensieren können.

Gleichzeitig wird die Wirtschaftlichkeit des Konzeptes durch die Entwicklung von produktiven und skalierbaren Hochrateprozessen adressiert. Weiteres Ziel ist die Demonstration von Lithium-Ionen-Prototypzellen auf Basis des neuen Anodenkonzeptes mit Rekordenergiedichten von bis zu 1.000 Wh/L für 300 Zyklen. Die Zielvorgabe einer hohen volumetrischen Energiedichte bei gleichzeitig guter Zyklenstabilität adressiert direkt Automobilanwendungen.

Die Arbeiten des Verbundprojektes gliedern sich in drei Bereiche, die jeweils von einem Industrie- und einem institutionellem Partner bearbeitet werden:
•  Siliciumabscheidung: Von Ardenne GmbH, Fraunhofer FEP

•  Anodennachbehandlung: Gebr. Schmid GmbH, Fraunhofer IWS

•  Zellbau, Evaluierung: Continental AG, Fraunhofer IWS
Die einzelnen Arbeitspakete sind inhaltlich so aufgestellt, dass die gesamte Prozesskette von Elektrodenfertigung über Anodennachbehandlung bis zum Zellbau bzw. deren Evaluierung von Projektbeginn an mit bestehenden Prozessen realisiert werden kann. Dadurch ist eine schnelle Analyse und zielgerichtete Anpassung der Zelltechnologie mit hoher volumetrischer Energiedichte mit einer hochkapazitiven Siliciumanode gegeben. Simultan erfolgt die Entwicklung hochproduktiver Prozesse für die wirtschaftliche Herstellung der Siliciumanoden, die durch die zuvor erarbeiteten Erkenntnisse in kurzer Zeit in die Zelltechnologie integriert werden können.

Das erste Arbeitspaket beinhaltet die Abscheidung einer Siliciumanode mittels Vakuum-Dünnschichtverfahren auf dem Stromkollektor. Dabei werden mit dem etablierten Verfahren Magnetron-Sputtern bereits als vorteilhaft hinsichtlich einer Anwendung als Anode gegenüber Graphit bewertete Silicium-Schichten mit einem kolumnaren Schichtgefüge erzeugt. Parallel dazu wird ein neuartiges, hochproduktives Beschichtungsverfahren für Silicium-Schichten auf Basis einer Partikelabscheidung mit einem optimierten Schichtgefüge entwickelt.

Die Tolerierung von Volumenänderungen und die Eliminierung von Schichtspannungen in der Anode soll durch Strukturierungsprozesse auf Basis von Laser- und Ätzverfahren erreicht werden, die der Schichtabscheidung nachgelagert sind. Der Fokus liegt auf effizienten Prozessen zur Herstellung von Anoden mit >3 mAh/cm2, welche in Durchlaufprozessen mit einer Bandgeschwindigkeit >1 m/min auf 200 mm Breite umgesetzt werden können.

Die Machbarkeit der Zelltechnologie wird in gestapelten Prototypzellen demonstriert. Ziel sind Zellen mit einer volumetrischen Energiedichte von 1.000 Wh/L bei 3C über 300 Zyklen. Bei der Umsetzung wird Wert auf die Skalierbarkeit der Methoden und Betrachtungen zu Kostenabschätzungen gelegt, um eine mittelfristige industrielle Überführung der Technologien zu ermöglichen.

Deutschland hat aktuell und zukünftig einen stark wachsenden Bedarf an elektrischen Energiespeichern – sowohl bei Anwendungen der Elektromobilität als auch bei stationären Speichertechnologien (aufgrund der steigenden Nutzung von regenerativen Energien). Diese sind ein essenzieller Wachstumstreiber für das 21. Jahrhundert. Mit der im Projekt adressierten Zielstellung für die Batterieparameter werden die gesellschaftlichen Zielstellungen der Elektromobilität und der Energiewende unterstützt. Unter Einbindung deutscher Unternehmen entlang der Prozess- bzw. Wertschöpfungskette sollen die benötigten Technologien im Pilotlinienmaßstab demonstriert werden. Die Projektergebnisse haben damit eine herausragende wirtschaftliche Bedeutung für den technologieorientierten Anlagenbau (Von Ardenne GmbH, Gebr. Schmid GmbH) und die Batteriefertigung und -anwendung (Continental AG). 
Die Ergebnisse des Projekts haben einen vielfältigen Nutzen für die Verbundpartner und stärken den Batterieforschungs- und Batterieproduktionsstandort Deutschland. Durch die Qualifizierung von wissenschaftlichem Personal auf dem Gebiet der elektrischen Energiespeicher wird sowohl die Steigerung der wissenschaftlichen Konkurrenzfähigkeit als auch personelle Fachkompetenz für Unternehmen ermöglicht. Es ergeben sich Möglichkeiten vom Aufbau neuer Anwendungsfelder für den Anlagenbau (Beschichtungstechnik, Ätztechnik für elektrische Energiespeicher), der kostengünstigen Fertigung von Anodenmaterialien basierend auf Silicium bis zum Aufbau einer Produktion für energiereiche Zellen.

Prozesstechnologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden in Hochenergie-Lithium-Batterien

Herr  Markus Piwko

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Von Ardenne GmbH

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt. In Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen reine Silicium-Anoden (durch Substitution von herkömmlichen Graphit-Anoden) potenziell eine drastische Steigerung der volumetrischen Energiedichte von 676 Wh/L auf etwa 1.000 Wh/L, also um ca. 40 Prozent.
Ziel dieses Vorhabens ProSiSt ist es, die Technologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mit deutlich gesteigerter volumetrischer Energiedichte zu entwickeln. Eine große Herausforderung ist dabei, die Erzeugung idealer Schichtstrukturen und -gefüge, welche die drastischen Volumenänderungen des Siliciums bei Lade- und Entladevorgängen über mehrere hundert Zyklen effektiv kompensieren können. Im Rahmen des Teilvorhabens zu strukturierten Siliciumschichten möchte Von Ardenne seine technisch-technologischen innovativen Ansätze und die damit verbundenen Chancen weiter untersetzen und zusammen mit den Konsortialpartnern nach Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit für Batterieanwendungen evaluieren. Ziel ist es, die vielversprechende und eigens entwickelte vakuumbasierte Trockenabscheidungsmethodik „Fast Particle Deposition – FPD“ nach ihren grundlegenden Charakteristiken zu erforschen und Lösungsansätze für eine industrielle Applizierung von Silizium-Pulvermaterialien zu entwickeln.

Darüber hinaus wird als weiterer Schwerpunkt eine konkrete FPD-Schichtentwicklung zur Abscheidung von porösen und schwammartigen Silicium-Schichten erfolgen. Abschließend werden bei positiven Ergebnissen zur FPD-Methodik alle Erkenntnisse und Erfahrungen genutzt, um eine Prozessskalierung konzeptseitig vorzubereiten, damit in naher Zukunft eine Technologieetablierung schnellstmöglich angegangen werden kann.

Zur Etablierung einer innovativen Technologie zur Abscheidung strukturierter Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mittels PVD (Physical Vapor Deposition) gliedert sich das Teilvorhaben in vier Arbeitsschwerpunkte:
•  Analyse der Prozessgrundlagen

•  Adaption der Anlagenkonzeption

•  Entwicklung und Charakterisierung von Silicium-Schichten als Anode

•  Vorbereitung der Prozessskalierung
Die Arbeitsschwerpunkt des Teilprojekts bauen aufeinander auf, sodass eine Entwicklung des Prozesses von den Grundlagen bis zum Pilotmaßstab ermöglicht wird.

Im ersten Arbeitsschwerpunkt erfolgt die Anforderungsanalyse der experimentellen Gegebenheiten zur Durchführung von Experimenten zur FPD sowie Integration der notwendigen konstruktiven Anpassungen in die Anlage. Daran anschließend werden die grundlegenden Prozesseinflüsse durch gezielte Prozessvariation identifiziert. Auf Grundlage der Untersuchungen werden Pulver-Materialien und Materialkombinationen als generische Vorstufe zur Abscheidung bzw. Herstellung von Silicium Batterieelektroden identifiziert und ein technisch-technologisches Prozessverständnis aufgebaut.

Im zweiten Arbeitsschwerpunkt wird auf Basis dieser Erkenntnisse die Anlagekonzeption zielgerichtet adaptiert, um eine effizientere Prozessführung zu ermöglichen.

Aufbauend erfolgt im dritten Arbeitsschwerpunkt die Applizierung der Silicium-Partikel auf Stromkollektorfolien – verbunden mit der Silicium-Schichtentwicklung zur Erzeugung einer hochkapazitiven Silicium-Anoden mit hoher Zyklenstabilität. Dazu werden geeignete Materialien (Partikelgröße, -größenverteilung und -form), mit Schwerpunkt Silicium identifiziert und deren Verwendbarkeit im Prozess und hinsichtlich Silicium-Schichtbildung bewertet. Die elektrochemische Charakterisierung der erzeugten Silicium-Anoden erfolgt bei Projektpartnern des Verbundvorhabens.

Im vierten Arbeitsschwerpunkt werden Konzepte für Skalierungslösungen des FPD-Verfahrens erarbeitet. Neben einer Risikobewertung der technischen Umsetzbarkeit werden Beschichtungsfenster für Laboranlagen und Einflüsse auf die Langzeitstabilität des Prozesses erarbeitet.

Am Ende des Projektes soll mit dem „Fast Particle Deposition – FPD“ ein innovatives, trockenes Fertigungsverfahren für hochkapazitive Silicium-Anoden prozesstechnisch etabliert und erste Konzepte zu dessen Skalierung erarbeitet sein.

Deutschland hat aktuell und zukünftig einen stark wachsenden Bedarf an elektrischen Energiespeichern, sowohl bei Anwendungen der Elektromobilität als auch bei stationären Speichertechnologien (aufgrund der steigenden Nutzung von regenerativen Energien). Diese sind ein essenzieller Wachstumstreiber für das 21. Jahrhundert. Mit der im Projekt adressierten Zielstellung für die Batterieparameter werden die gesellschaftlichen Zielstellungen der Elektromobilität und der Energiewende unterstützt. 
Die Inhalte des Teilprojekts sind äußerst innovativ und vielversprechend jedoch auch noch sehr grundlagenorientiert angelegt. Da es sich jedoch um die Etablierung eines neuartigen Abscheideverfahrens handelt, engagiert sich Von Ardenne hier bereits frühzeitig, um die Chancen des Verfahrens zu bewerten und Weichenstellungen beeinflussen zu können. Im Erfolgsfall können erste Kunden mit Versuchseinrichtungen zur wirtschaftlichen Trockenabscheidung von Elektroden versorgt werden. Weitere Anwendungen, in denen poröse Schichten benötigt werden, sind denkbar.

Aufgrund der Zusammensetzung des Konsortiums mit breiter Abdeckung der Wertschöpfungskette inklusive Endanwender und der direkten Austauschmöglichkeit mit kompetenten Wissenschaftspartnern bietet sich die Chance, die Entwicklungsarbeiten zielgerichtet und produktorientiert zu entwickeln. Die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten werden bei erfolgreicher Projektdurchführung aufgrund der progressiven Entwicklung des Batteriemarktes langfristig als sehr hoch eingestuft.

Die innerhalb des Projektes zu entwickelnden angepassten Abscheideverfahren sind innerhalb dieses Marktumfeldes noch nicht etabliert. Zwingende Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens in der Industrie ist deshalb der im Projekt verankerte und äußerst umfangreiche Funktions-Nachweis auf Basis einer adäquaten technischen Lösung. Damit werden wichtige Voraussetzungen geschaffen, um Anwender von der Technologie und Wirtschaftlichkeit überzeugen zu können.

Grundlagen zur Prozessentwicklung und Herstellung sowie Skalierung von hochkapazitiven Siliciumanoden

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Vitesco Technologies Germany GmbH

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Gebr. Schmid GmbH

Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Unternehmenskommunikation

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Laufzeit	01.10.2017 - 30.09.2020
Ausführende Stelle	FhG • FEP
Standort	Dresden
Fördersumme	1.097.475,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

Projekt

ProSiSt

Prozesstechnologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden in Hochenergie-Lithium-Batterien

Projektbetreuung als

Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Förderung

Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Dieses Projekt ist Teil des Verbundprojekts

ProSiSt

Weitere Teilprojekte des Verbundvorhabens

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Von Ardenne GmbH

Teilprojekt 2

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Vitesco Technologies Germany GmbH

Teilprojekt 3

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Gebr. Schmid GmbH

Dieses Projekt ist Teil der Förderinitiative

Batterie 2020 (Transfer)

Teilprojektleitung

Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Teilprojektleiter*in

Pressekontakt

Verbundprojektkoordination

Von Ardenne GmbH

Verbundprojektkoordinator*in

Pressekontakt

Links

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