Feststoff-Kathoden für zukünftige Hochenergie-Batterien

Heutiger Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Zellen mit definiert porösen Elektroden und durchtränkt mit flüssigem Elektrolyt. Der Ionentransport erfolgt entsprechend durch Diffusion über den flüssigen Elektrolyten und die elektronische Leitung über das feste Gerüst aus Aktivmaterial und Kohlenstoff.

Ziel und Inhalt des Verbundvorhabens ist die funktionsseitige und verfahrenstechnische Entwicklung einer Feststoff-Kathode für Hochenergie-Batteriezellen. Dies beinhaltet die Konditionierung (z. B. mehrstufige Vor-Agglomeration, Granulierung, Oberflächenbeschichtung etc.) der Kathodenkomponenten ebenso wie die strukturelle und elektrochemische Analyse der erzeugten Komposite, deren Daten in ein Strukturmodell einfließen. Das angestrebte Zelldesign und der gleichzeitige Testaufbau ist ein hochvoltstabiler und zu hohen Lade- und Entladeraten fähiger Kathoden-Komposit in Kombination mit einer Lithium-Metallanode.

In der Batterietechnik werden hohe spezifische Anforderungen an die Anlagentechnik gestellt. Es müssen für die Verarbeitung des neu zu entwickelnden Kathoden-Materials hohe Temperaturen (bis ca. 150 °C) realisiert werden, bei gleichzeitiger Verhinderung der Anhaftung des Materials während des Prozesses. Dazu sind neue Oberflächenbeschichtungen zu erproben und die chemischen-mechanischen Grenzen zu analysieren. Ebenfalls müssen neben den Antihafteigenschaften höchste Rundlauf- und Oberflächeneigenschaften sowie eine präzise Walzenspalteinstellung realisiert werden, um die im Mikrometerbereich geforderten Toleranzen (+/-2 µm) der Materialbahn über die Dicke, Breite und Länge zu erfüllen.

Saueressig setzt sich zum Ziel, durch neue Verfahrens- und Anlagentechnik im Rahmen dieses Verbundprojektes sowie in naher Zukunft den hohen Anforderungen in der Batterietechnik gerecht zu werden. Durch neue, innovative Konzepte zur Walzenspalteinstellung, -regelung und -kontrolle soll ein stabiler und überwachter Kalandrier- und Laminierprozess entstehen. Ebenfalls sind neue Walzenoberflächen mit ihren verschiedenen mechanisch-chemischen Eigenschaften zu analysieren.

Saueressig befasst sich im Rahmen des Verbundvorhabens hauptsächlich mit der Entwicklung neuer Kalandrier- und Laminiertechnik. Dazu sind auf einem zuvor entwickelten Laborkalander Vorversuche zu absolvieren und notwendige Daten für die Auslegung einer Demonstrationsanlage zu ermitteln. Die notwendigen Vorversuche werden durch Saueressig an der TU Braunschweig begleitet und analysiert.

Im Anschluss der Datenermittlung können diese mit geeigneten Programmen bzw. Simulationen ausgewertet und verarbeitet werden. Da diese Daten auf einem Laborkalander ermittelt wurden, müssen die Daten entsprechend „hochskaliert“ werden. Im Anschluss dieser theoretischen Ausarbeitung werden Konstruktionsunterlagen erzeugt und in der Fertigung bei Saueressig eine geeignete Demonstrationsanlage hergestellt.

Nach Fertigstellung und Montage der Demonstrationsanlage wird diese an der TU Braunschweig aufgebaut und während der gesamten Projektlaufzeit weiter optimiert und dem Prozess angepasst.

Durch die Realisierung des Projektes, in dem neue Maschinen- und Fertigungstechniken für die Herstellung von Feststoff-Kathoden für Hochenergie-Batteriezellen untersucht und in einem Demonstrator-System für den spezifischen Anwendungsfall dargestellt wird, wird eine völlig neue Prozesskette für die Herstellung von Feststoff-Kathoden umgesetzt und demonstriert, die zu kürzeren Herstellzeiten und deutlich verringerten Kosten führt.

Nach erfolgreicher Durchführung des Projektes wird Saueressig diese Anlagentechnik am Markt präsentieren und fokussieren. Da dieser Herstellungsprozess neuartig ist, werden sich durch entsprechende Patente und erarbeitetes Know-how Alleinstellungsmerkmale aufzeigen, die Saueressig weltweit im Markt bekannt machen und zukünftig auch von Beginn an im Labormaßstab eine enge Kundenbindung ermöglichen.

Bei erfolgreicher Umsetzung der geplanten funktionsseitigen und verfahrenstechnischen Entwicklung einer Feststoff-Kathode für Hochenergie-Batteriezellen und der gemeinsamen Arbeiten des Verbundes resultieren aus dem Saueressig-Teilprojekt folgende Innovationen:

Neue Verfahrenstechniken, die auch auf andere Marktbereiche innerhalb von Saueressig übertragen werden können. Die Verarbeitung von pulverförmigen Materialien ist unter anderem auch in der Kunststoff- und Zellulose-Industrie ein Thema. Durch diese neue Verfahrenstechnik wird Saueressig seinen Marktanteil übergreifend stärken und ausweiten können. Saueressig erwartet in diesen Bereichen eine Zunahme an Entwicklungsfähigkeiten in den kommenden Jahren. Um dieser Zunahme zu entsprechen, ist geplant die interne Entwicklungsabteilung bzw. das Technikum auszubauen und mit geeigneter Anlagentechnik (auf Basis des Projektes FesKaBat) aufzurüsten und vorhandene Arbeitsplätze zu erhalten.

Ein auf realen Daten basierendes Maschinenkonzept zur Herstellung von Feststoff-Kathoden (Trockenfilmen) ermöglicht die Schaffung neuer Geschäftsbereiche im Labormaßstab.

Saueressig ist als Sondermaschinenhersteller für Produktionsanlagen noch nicht im Labormarkt vertreten bzw. etabliert. Nach Beendigung des Projektes kann Saueressig diesen Markt, speziell im Bereich der Batterietechnik, anvisieren und ggf. patentierte Laborlösungen vorweisen. Hierzu ist es geplant, zwei Stellen im Bereich Entwicklung und Vertrieb neu zu schaffen und zu besetzen.

Spezielle Spaltregelungen im Mikrometerbereich ermöglichen Saueressig einen Zugang zum asiatischen Markt. Aktuell wird im Batteriemarkt in Asien mit konventionellen Kalandern gearbeitet, die eine erhöhte Ausschussrate von bis zu 30 Prozent erzeugen. An diesem Punkt kann Saueressig zukünftig Lösungen anbieten, die diesen Ausschuss minimieren und möglicherweise eliminieren. Da in Asien die weltgrößten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien produzieren, sehen wir hier einen enormen Absatzmarkt von Kalandertechnik mit mikrometergenauen Regelsystemen. Saueressig plant im Bereich der Regelsysteme mit einem wachsenden Marktanteil. Hierzu werden bereits im Projektverlauf entsprechende Stellen im Bereich Elektrotechnik geschaffen und marktabhängig besetzt.

Die im Projekt ermittelten technischen Daten sind skalierbar und zur Auslegung von Produktionsmaschinen geeignet. Somit können von Saueressig speziell im Markt der Batterietechnik Komplettlösungen angeboten werden, die einzigartig im Markt sind. Hierdurch wird ein Alleinstellungsmerkmal geschaffen, welches weltweit patentwürdig ist und Saueressig den Zugang zum asiatischen Markt ermöglicht. Weiterhin wird der europäische Markt gestärkt und erweitert. Bei erfolgreicher Projektdurchführung plant Saueressig im Bereich der Batterieproduktion eine Erweiterung der Vertriebsarbeiten. Hierzu werden entsprechende Vertriebsstellen geschaffen und neue Vertriebswege erarbeitet.