Skalierbare, kostengünstige Fertigungstechnologien für Kompositkathoden und Elektrolytseparatoren in Festkörperbatterien

Im Teilprojekt soll zum einen das Laserstrukturieren von Komposit-Elektroden untersucht werden und zum anderen ein Konzept für eine durchgängige Prozesskette zur Herstellung keramischer Festkörperbatterien entstehen.

Beim Laserstrukturieren der Komposit-Elektroden besteht die Aufgabe darin, schmale Dehnungsfugen (Breiten 10 bis 20 µm) in die Elektrodenschicht zu gravieren, ohne eine thermische Schädigung des Festelektrolyten oder des Aktivmaterials zu erzeugen. Das Ziel besteht entsprechend darin, einen geeigneten Laserstrukturierprozess zu erforschen. Dafür soll ein UV-Laser herangezogen werden, der durch die gegenüber konventionellen Lasern höherer Energie der Einzelphotonen einen besonders schonenden Abtrag des Feststoffs sicherzustellen vermag.

Für das Erstellen eines durchgängigen Fertigungsgrobkonzepts wird ein komplett neues Feld betreten, d. h. es kann nicht von einem bekannten Stand abstrahiert werden. Demnach müssen alle Prozessschritte einzeln hinsichtlich Durchsatz, Footprint, Medienversorgung etc. bewertet werden. Ferner erfolgt die Definition des potenziellen Produkts Festkörperbatterie erst im Projektverlauf, was das Aufstellen entsprechender Annahmen in Abstimmung aller beteiligten Partner erfordert.

Als Ergebnis soll eine Darstellung des Ablaufs sowie eine grobe Abschätzung von Durchlauf- und Prozesszeiten verfügbar sein.

Bei der Herstellung von Komposit-Elektroden wurde wiederholt erkannt, dass sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Komposit-Bestandteile beim Pressen und Sintern Verspannkräfte im Gefüge ausbilden können. Die Spannungen können Risse hervorrufen. Der Ansatz besteht nun darin, dem vorzubeugen, indem Dehnungsfugen mittels Lasergravierprozess eingebracht werden. Für die Arbeiten zum Laserstrukturieren von Komposit-Kathoden wird ein Versuchssystem zum automatischen Lasergravieren dünner Substrate eingesetzt.

In Vorabtests werden verschiedene Laserquellen und optische Systeme erprobt, die dann zur Anwendung kommen können. Mit dem konfigurierten Versuchsstand werden Untersuchungen zum Lasergravieren der Oberfläche durchgeführt, die Prozessparameter optimiert und gegebenenfalls nochmals das Setup des Versuchsstandes angepasst. Mit qualifizierten Parametern werden Fugen in bereitgestellte, ungesinterte Elektroden eingebracht und diese den Partnern für die weitere Bearbeitung zur Verfügung gestellt. Als sinnvoll anwendbares Messinstrument zum Erfassen des Profils der eingebrachten Fugen in die Elektrodenoberflächen kann der Triangulationssensor online eingesetzt werden.

Für die Erstellung des Fertigungsgrobkonzepts wird zu Beginn eine exemplarische Festkörperbatterie definiert. Diese exemplarische Batterie wird reduziert auf die wesentlichen Komponenten (Anode, Kathode, Elektrolyt, Elektrodenträger), deren Herstellschritte nachfolgend mit einem Fertigungskonzept unterlegt werden. Zur ersten Veranschaulichung und Definition einer konsekutiv ablaufenden Folge an Herstellschritten wird zunächst eine Modellprozesskette definiert, d. h. die möglichen Technologien werden – analog zu einem morphologischen Kasten – benannt und wesentliche Parameter bezeichnet. Aus den Teilinformationen wird ein ganzheitliches Fertigungskonzept umfassend das Layout, die Spezifikation der Übergabepunkte sowie eine überschlägige Taktzeitbetrachtung erarbeitet. Als Teil der Betrachtung werden die Eigenschaften der Zwischenprodukte definiert und entsprechende Prüfkriterien und fertigungsbegleitende Testverfahren vorgeschlagen.

Entlang der Fertigungskette zum Herstellen von Festkörperbatterien bringt thyssenkrupp System Engineering sowohl Prozess-Know-how beim Laserstrukturieren als auch seine Kompetenz als Anlagenintegrator ein. Dabei liegt der Nutzen hinsichtlich des Voranbringens der Technologie auf der Hand. Technologisch wird mit der Erforschung eines Laserstrukturierverfahrens ein Werkzeug bereitgestellt, mit dem der Rissbildung beim Sintern von Komposit-Kathoden vorgebeugt werden kann – einer Problematik die besonders der Anfertigung größerer Elektroden bislang entgegensteht.

Durch die Erarbeitung eines Konzepts der gesamten Prozesskette zur Herstellung von Festkörperbatterien wird ein erster aber sehr wichtiger Schritt hin zu Industrialisierung gegangen.