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

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.