Skalierbare, kostengünstige Fertigungstechnologien für Kompositkathoden und Elektrolytseparatoren in Festkörperbatterien

Das Teilvorhaben adressiert die Entwicklung einer Prozesstechnologie für Lithium-Ionen-Festkörperbatterien basierend auf sulfidischem Festelektrolyten. Der Fokus liegt hierbei auf dem skalierbaren Herstellungsprozess der Kathode und des Separators, deren Funktionalität abschließend in einer ca. 1 Ah Batterie demonstriert werden soll. Die angestrebte Batterietechnologie soll in der Elektromobilität zum Einsatz kommen. Sulfidische Glaskeramiken stellen einen attraktiven Festelektrolyten dar, der sich an der frühen Schwelle zum industriellen Einsatz befindet.

Festkörperbatterien verzichten grundsätzlich auf den Einsatz eines brennbaren flüssigen Elektrolyten und können so zu dem Förderziel einer sicheren Batterie beitragen. Gleichzeitig erlauben die sulfidischen Glaskeramiken mit einer hohen Lithium-Ionen-Leitfähigkeit eine hohe Ratenfähigkeit und somit kurze Ladezeiten. Eine hohe Energiedichte soll durch Einsatz einer Lithium-Anode erreicht werden. Dies wird durch den im Projekt angestrebten defektfreien Separator mit hoher Lebensdauer ermöglicht. Festkörperbatterien weisen weiterhin ein vorteilhaftes Verhalten bei niedrigen Temperaturen (<0 °C) auf, wo herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten deutliche Leistungs- und Energiedichteeinbußen hinnehmen müssen.

Die Robert Bosch GmbH hat zum Ziel, einen skalierbaren Fertigungsprozess für einen Separator sowie eine Kathode basierend auf einem sulfidischen Festelektrolyten zu entwickeln. Dazu wird zunächst die entsprechende Schlickerrezeptur entwickelt und auf einen skalierbaren Herstellprozess angepasst. Dieses bildet die Grundlage für die weitere Optimierung der Funktion der Schichten hinsichtlich folgender Ziele.

Für den Separator wird eine geringe Dicke zum Erreichen einer hohen Energiedichte angestrebt. Gleichzeitig muss das Dendritenwachstum über die Lebensdauer verhindert, eine hohe Zyklenfestigkeit erreicht und die gute Lithium-Ionen-Leitfähigkeit der sulfidischen Glaskeramiken erhalten bleiben. Um im Kathodenkomposit eine hohe Energiedichte zu erreichen, muss die Mischung der Komponenten zu einer guten Perkolation des Elektrolyten und des Leitadditivs führen, um deren Anteile gering halten zu können. Zur Erhöhung der Lebensdauer werden beschichtete Kathodenaktivmaterialien eingesetzt, deren Beschichtung trotz mechanischer Beanspruchungen im Mischprozess sowie im Batteriebetrieb stabil sein muss und einen guten Kontakt zum Elektrolytmaterial gewährleistet.

Um diese Ziele systematisch zu erreichen ist es wichtig, die Zusammenhänge zwischen Schlickerzusammensetzung und Prozessparametern auf die Mikrostruktur zu identifizieren und den Einfluss dieser auf die gewünschten Funktionseigenschaften zu ermitteln. Daher werden bei der Robert Bosch GmbH entsprechende Charakterisierungen durchgeführt und um fortgeschrittenen Charakterisierungsmethoden der Partner ergänzt.

Festkörperzellen könnten nach Einschätzung der ARTEMYS-Partner ab 2025 in Traktionsbatterien zum Einsatz kommen, dies bedeutet einen Technologiesprung mit signifikanter Auswirkung auf Produktions- und Prozesstechnik. Im Rahmen des Projektes wird ein grundlegendes Zell-, Prozess- und Produktions-Know-how oxidischer und sulfidischer Festkörperzellen erarbeitet, das bei positiver Bewertung der Technologie mittel- bis langfristig in der Industrie am Standort Deutschland umgesetzt werden kann.

Festkörperbatterien kommen aufgrund ihrer intrinsischen vorteilhaften Eigenschaften auch für zahl-reiche andere Anwendungen in Frage, wie Consumer-Electronics, Power Tools oder stationäre Speicher für Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze. Durch Verbesserung von Sicherheit und Energiedichte kann die Festkörperbatterietechnik zukünftig die Potenziale elektrochemischer Energiespeicher weiter signifikant erhöhen. Damit wird die Nutzung regenerativer Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie zukünftig stark unterstützt.

Das Projekt ARTEMYS bildet auf dem Gebiet der Festkörperbatterie ein einzigartiges Zusammenspiel von Forschungseinrichtungen, Materialherstellern, Anlagenbauern, Automobilzulieferer und OEM am Technologiestandort Deutschland. Das hier aufgebaute Kompetenznetzwerk wird eine nachhaltige Schnittstelle zwischen deutscher Industrie, Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektromobilität werden.