Entwicklung kostengünstiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien

Die stetig zunehmende Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien für portable elektronische Geräte, elektrisch angetriebene Automobile und stationäre Energiespeicher erfordert einen verstärkten Fokus auf die Realisierung nachhaltiger und umweltschonender Batteriematerialien und Fertigungsprozesse. Das Li-EcoSafe-Projekt will hierzu einen Beitrag leisten, indem es die Entwicklung Cobalt-freier Kathodenmaterialien, insbesondere Nickel-Mangan-basierter Hochvoltspinelle, zum Ziel hat, die mittels wässriger Fertigungsverfahren in Hochenergiekathoden überführt werden.

Während die Implementierung von Hochvoltkathodenmaterialien allerdings insbesondere eine Überwindung der oxidativen Elektrolytzersetzung erfordert, ist die wässrige Prozessierung von Lithium-Übergangsmetalloxiden vor allem aufgrund der Wasser-Sensitivität dieser Materialien eine Herausforderung. Das Teilprojekt am HIU-KIT konzentriert sich daher im Wesentlichen auf die folgenden beiden Hauptziele:

1. Die Entwicklung umweltfreundlicher wässriger Elektrodenbeschichtungsprozesse für Hochvoltkathodenmaterialien, inklusive Binderentwicklung und Anpassung von Passivkomponenten an das erweiterte Spannungsfenster, sowie die physikochemische und elektrochemische Untersuchung der so hergestellten Elektroden.

2. Die systematische Untersuchung von Additiven in verschiedenen Elektrolytmischungen, insbesondere mit Fokus auf deren Verwendung in Kombination mit Hochvoltkathoden, sowie die physikochemische Untersuchung der Elektrolyte und deren elektrochemische Charakterisierung in Halb- und Voll-Zellen.

Während das erste Ziel somit die Realisierung umweltfreundlicher, ressourcenschonender Hochenergiekathoden verfolgt, um die Lithium-Ionen-Technologie insgesamt nachhaltiger zu gestalten, ermöglicht die Entwicklung geeigneter Elektrolytsysteme die Realisierung langzeitstabiler Lithium-Ionen-Zellen. Unter Beachtung des „total energy throughput“ tragen daher auch diese Arbeiten insgesamt zu einer gesteigerten Nachhaltigkeit der im Li-EcoSafe-Projekt gemeinsam avisierten, verbesserten Lithium-Ionen-Technologie bei.

Wie im vorangegangenen Abschnitt erwähnt, hat das Teilprojekt am HIU-KIT im Wesentlichen zwei Hauptziele, welche im Folgenden näher ausgeführt werden sollen:

1. Die wässrige Prozessierung von Hochvoltkathoden, sprich die Verwendung von Wasser statt des üblichen organischen Lösungs- und Dispersionsmittels N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), das sowohl gesundheits- als auch umweltschädlich ist, ermöglicht neben der Vermeidung eben dieser Nachteile auch wirtschaftliche Vorteile. Hierzu trägt nicht zuletzt die Verwendung wasserlöslicher Polymer-Verbindungen bei, die in der Regel kostengünstiger sind als das in Kombination mit NMP verwendete Polyvinylidenfluorid (PVdF) sowie gesundheitlich unbedenklich aufgrund ihres biologischen Ursprungs. Die größte Herausforderung in diesem Zusammenhang besteht allerdings in der Reaktivität von gängigen Lithium-Ionen-Kathodenmaterialien, wie Lithium-Übergangsmetalloxiden, in Kombination mit Wasser und dem hieraus resultierenden Anstieg des pH-Wertes, der zu einer teilweisen Zersetzung der Aluminium-Stromabnehmer führt. Die Gruppe von Prof. Passerini hat auf diesem Gebiet bereits sehr gute Ergebnisse für Halb- und Vollzellen erzielt, etwa durch eine Kohlenstoffbeschichtung des Stromabnehmers, die Zugabe an- und organischer Säuren sowie die Wahl geeigneter Bindemittel.

2. Die Entwicklung geeigneter Elektrolytsysteme für Hochvoltkathoden, um insbesondere die anodische Stabilität zu verbessern: Hierzu werden innerhalb dieses Teilprojektes vornehmlich zwei Lösungsansätze verfolgt und zwar (i) die Identifizierung und Auswahl geeigneter organischer und anorganischer Elektrolytzusätze und Additive, die eine stabilisierende Wirkung auf die Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche haben, sowie (ii) die Verwendung alternativer Lösungsmittel( -Kombinationen) – unter gegebenen Umständen in Verbindung mit alternativen Leitsalzen. Beide Ansätze – für sich oder auch in Kombination – zielen auf eine Reduktion bzw. eine vollständige Unterdrückung oxidativer Zersetzungsreaktionen an der Kathodenoberfläche, die nicht nur zu einer „Austrocknung“ der Batteriezelle führen, sondern in der Regel auch die Leistungsfähigkeit der Elektrode an sich herabsetzen.

Die Ergebnisse werden sowohl wissenschaftlich als auch wirtschaftlich verwertet. So erfolgt die wissenschaftliche Nutzung und Verbreitung mittels Publikation in internationalen Fachzeitschriften und auf nationalen sowie internationalen Tagungen und Kongressen. Diese Form der Verwertung der Ergebnisse wird bereits aktiv betrieben und auch fortgeführt bis zum Ende des Teilprojektes – vermutlich auch darüber hinaus. Selbiges gilt für die Verwertung in Forschung und Lehre, die eine zentrale Rolle für das HIU-KIT als Forschungs- und Ausbildungsinstitution darstellen. Somit trägt die Arbeit an diesem Projekt unmittelbar auch zur Schulung von Fachpersonal im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher für die Industrie in Deutschland bei.

Die wirtschaftliche Verwertung erfolgt insbesondere über das Instrument der Patentanmeldung. So haben die bislang erzielten Ergebnisse bereits zu einer europäischen Patentanmeldung auf dem Gebiet der wässrigen Elektrodenfertigung geführt. Eine weitere Verwertung in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern ist derzeit avisiert.

Insgesamt trägt die Arbeit an diesem Teilprojekt somit direkt und nachhaltig zur Realisierung umweltfreundlicherer und kosteneffizienterer Fertigungsstrategien für Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland und international bei.