Skalierbare, kostengünstige Fertigungstechnologien für Kompositkathoden und Elektrolytseparatoren in Festkörperbatterien

Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperionenleitern und Lithium-Metall-Anoden werden aufgrund ihrer höheren spezifischen Energie sowie ihres vorteilhaften Sicherheitsverhaltens als vielver-sprechende Speichertechnologien für zukünftige Elektrofahrzeuge angesehen. Trotz Erhöhung der Forschungsaktivitäten innerhalb der vergangenen Jahre und Darstellung der technischen Funktionalität von Festkörperbatterien im universitären Labormaßstab, fehlt es noch immer an Prozesstechnologien zur massenfertigungstauglichen Darstellung. Da die technischen Herausforderungen von Systemen mit sulfidischen und oxidischen Ionenleitern teilweise unterschiedlicher Natur sind, bleibt die Frage unbeantwortet, welche der konkurrierenden Ansätze über skalierbare Fertigungstechnologien dargestellt werden können und somit als kostengünstige Energiespeicher für die Elektromobilität in Frage kommen.

Ziel des Projekts ist es, geeignete Prozesstechnologien für die Herstellung vollkeramischer Feststoffbatterien zu erarbeiten und diese bezüglich ihrer Skalierbarkeit zu bewerten. So wird sowohl eine prozesstechnologische als auch kostenbasierte Entscheidungsgrundlage für eine potenziell nachfolgende Industrialisierung gelegt.

Der Lehrstuhl für Funktionsmaterialien arbeitet intensiv auf dem Gebiet der „aerosolbasierten Kaltabscheidung“ keramischer Werkstoffe. Dieses auch „Aerosoldepositionsmethode“ (abkürzt ADM) genannte Verfahren ermöglicht die Abscheidung dichter keramischer Schichten im µm-Maßstab bei Raumtemperatur ohne aufwändige Vakuumprozesse. Um keramische Bauteile und Schichten herzustellen, benötigt man üblicherweise Sintertemperaturen mehr als 1000 °C, wodurch es sich als problematisch erweist, keramische Schichten auf niedrigschmelzende Metalle, Gläser, Polymere oder Funktionsschichten aufzubringen. Eine Vielzahl an Keramiken, insbesondere komplexere Funktionskeramiken, können z. B. bedingt durch thermische Zersetzungsprozesse oder strukturelle Veränderungen des Materials nicht mittels der klassischen Keramiktechnologie verarbeitet werden.

Die ADM erlaubt, ausgehend von keramischem Pulver nach einer wenig aufwändigen Vorbehandlung ohne weiteren Prozessschritt die Erzeugung dichter Schichten auf einer großen Anzahl an Substraten verschiedener Werkstoffklassen.

Die Arbeiten des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien fokussieren sich daher im Kontext des ARTEMYS-Gesamtverbundprojektes auf den Aufbau sulfidischer und oxidischer Ionenleiter mittels ADM für die Anwendung als Elektrolytschicht in Festkörperbatterien. Im Zuge dessen werden in Kooperation mit den Projektpartnern geeignete Pulver für den Prozess weiterentwickelt und der Herstellungsprozess optimiert. Maßgeblich für die Beurteilung des Prozesses als alternative kostengünstige Herstellungsmethode sind die erreichbaren elektrischen Eigenschaften der Schichten, sowie die Materialeffizienz.

Abschließend erfolgt im Projekt eine Bewertung, ob die aerosolbasierte Kaltabscheidung zur Herstellung von sulfidischen und oxidischen Festelektrolyt-Ionenleitern für Lithium-Ionen-Batterien geeignet ist. Dabei wird die aerosolbasierte Kaltabscheidung auch mit den anderen im ARTEMYS-Gesamtprojekt verwendeten Verfahren verglichen.

Das Verfahren der Aerosoldepositionsmethode bietet einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von Elektroden-Elektrolyt-Verbunden. Mit dem Alleinstellungsmerkmal als Raumtemperaturprozess für die Herstellung keramischer Schichten erweitert das Verfahren das Spektrum an möglichen Werkstoffkombinationen, die mit herkömmlichen Prozessen nicht realisierbar sind. Des Weiteren bietet sich das Potenzial, den Materialeinsatz und Kosten auf Zellebene zu reduzieren bzw. die Performance zu steigern durch die Möglichkeit geringer Elektrolytschichtdicken.

Für den Lehrstuhl für Funktionsmaterialien als universitären Projektpartner bietet sich mit dem vorliegenden Projekt die Möglichkeit, die in der Vergangenheit aufgebaute Kompetenz auf den Gebieten der aerosolbasierten Kaltabscheidung (Aerosoldepositionsmethode, ADM) auf lithiumionenleitende oxidkeramische und sulfidische Werkstoffe auf für die Zukunft wichtige Anwendungsgebiete wie die Energietechnik auszudehnen.

Ziel der Arbeiten ist es nicht nur Schichten herzustellen, sondern auch deren Funktionseigenschaften zu verstehen und neue Bauelemente daraus zu entwickeln. Eine stetige Weiterentwicklung des Prozesses ist daher ein Schwerpunkt des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien.

Des Weiteren ist geplant, kleinere Teile von Arbeitspaketen durch studentische Arbeiten (Studien-, Projekt- und Abschlussarbeiten) der Masterstudiengänge „Energietechnik“ und „Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“ unterstützen zu lassen. Dies ermöglicht die Integration praxisnaher Aspekte in die Ausbildung und wird dazu beitragen, dass auch künftig fähige Ingenieure bzw. Materialingenieure als Nachwuchskräfte für F&E-Aufgaben in der Energietechnik und in der Werkstofftechnik verfügbar sind. Dies ist die wichtigste Voraussetzung für die künftige Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands auf diesen Gebieten.