Verbesserte Lithium-Ionen-Batterien durch Modifikation der Elektrodenoberflächen

Für die Herstellung von Dickschichtelektroden auf modifizierten Kollektorfolien formuliert die HAW neue Anoden- und Kathoden-Slurries. Dabei spielen Parameter wie Viskosität, Feststoffgehalt, die stoffliche Zusammensetzung aus Aktivmaterial, Binder und Leitadditiv oder auch die Trocknungsparameter eine entscheidende Rolle, um Rissbildungen und Agglomerationen während der kontinuierlichen Beschichtung zu verhindern und eine gute Haftung auf dem Stromableiter zu gewährleisten. Neben der prozesstechnischen Herausforderung werden mikroskopische und elektrochemische Messmethoden angewandt, um die Performance der resultierenden Elektroden zu untersuchen.

Darüber hinaus werden die fertigen Elektrodensheets dem Konsortium für weitere Modifikationen der Elektrodenoberfläche zur Verfügung gestellt. Um Einflüsse der Oberflächenmodifikation auf die Zellperformance zu analysieren, werden auch an diesen Elektroden elektrochemische Messmethoden, wie Zyklovoltammetrie oder galvanostatische Polarisation, an der HAW angewandt. In Kooperation sowohl mit den Projektpartnern als auch mit den assoziierten Partnern wird auf Basis der erhaltenen Ergebnisse eine Bewertung der Prozesse vorgenommen, um eine Integration in den etablierten Herstellungsprozess zu forcieren.

Die HAW Landshut hat eine arbeitspaketübergreifende Schnittstellenfunktion innerhalb des Projektes SurfaLIB. Sie übernimmt die zentrale Funktion bei der Beschichtung der unterschiedlichen Kollektorfolien und stellt diese anschließend den Projektpartnern zur weiteren Strukturierung bereit. Die Folien werden der HAW durch die Projektpartner in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt.

Ziel: Die chemischen Entwicklungsarbeiten der HAW liegen bei der Formulierung der Anoden- und Kathoden-Slurries, welche in einem definierten Beschichtungsprozess zu Dickschichtelektroden umgesetzt werden. Die zuvor definierten Prozessparameter (etwa Beladung, Trockenschichtschichtdicke etc.) dienen dabei als Grundlage bei der Entwicklung der entsprechenden Dickschichtanoden und -kathoden.

Vorgehensweise: Ausgehend von einer standardisierten Zusammensetzung werden Dickschichtelektroden hergestellt. Prozessparameter wie Nassfilmdicke, Viskosität des Slurries (bestimmt durch den Feststoffgehalt) sowie Beschichtungsgeschwindigkeit und Trocknungstemperaturen sind dabei die kritischen Faktoren, die es für die jeweilige Elektrode zu optimieren gilt, damit die definierten Zielparameter erfüllt werden.

Die elektrochemische Validierung erfolgt mit den strukturierten und unstrukturierten Elektroden vornehmlich in Halbzellen. C-Raten-Tests und Langzeit-Zyklisierungen (min. 200 Zyklen) an ausgewählten Systemen sind die Methoden der Wahl, um die Einflüsse der Modifizierung auf die fertige Elektrode zu charakterisieren.

Aus dem Teilvorhaben der Hochschule Landshut ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten der Verwertung mit vorwiegend wissenschaftlichen sowie technischen Erfolgsaussichten. Folgende Projektergebnisse werden erwartet:

• Integration von behandelten Substraten (Ableiterfolien) in den Herstellungsprozess (Definition von Standards, auch projektübergreifend für zukünftige Arbeiten),

• Integration von Oberflächenbehandlungsmethoden in den Herstellungsprozess (etwa Laserstrahlstrukturierung an kontinuierlicher Beschichtungsanlage),

• verbesserte Zellchemie,

• Integratrion der chemischen C-Abscheidung auf der Kollektorfolie im Herstellprozess von Lithium-Eisenphosphat-Kathoden mit wasserbasierten Bindern.