Verbesserte Lithium-Ionen-Batterien durch Modifikation der Elektrodenoberflächen

Ziel des Projektes SurfaLIB ist die Entwicklung und Untersuchung von modifizierten Elektrodenoberflächen für Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Die Oberflächenbehandlung der Materialien in LIB erfolgt dabei sowohl im Bereich nasschemischer und laserbasierter Strukturierung als auch mittels plasmabasierter Verfahren mit dem Ziel, den Kontakt zwischen Aktivmaterial und Elektrode dauerhaft zu verbessern.

Im Teilprojekt des Fraunhofer IFAM soll ein Prozess mittels einer kommerziellen Atmosphärendruck-(AD-)Plasma-Jet-Technologie der Firma Plasmatreat anwendungsspezifisch weiterentwickelt werden, um so durch die Oberflächenbehandlung den Kontakt und die Haftung des Aktivmaterials auf den Elektrodenfolien zu verbessern. Hierzu sollen funktionale Beschichtungen auf die Elektrodenfolien abgeschieden werden, die eine langzeitstabile Anhaftung des Aktivmaterials ermöglichen und Alterungseffekten der Zellen entgegenwirken.

Weiteres Ziel dabei ist eine Effizienzsteigerung durch die Absenkung der Übergangswiderstände, wie sie bei aktuell ausgeführten Alterungsschutzschichtprozessen auf den Elektrodenfolien auftreten. Die besondere Herausforderung liegt im Projekt damit neben der angepassten Schichtchemie auch und besonders in der Kombination aus Dicke der Substratfolien und der von der AD-Plasmabehandlung eingebrachten Wärme auf die Folien. Insgesamt soll durch die Plasmabehandlung so ein Aufbau dickerer Aktivmaterialschichten in den Zellen ermöglicht werden, was die Gesamteffizienz und auch die Energiedichte der Zellen weiter steigern würde.

Das Fraunhofer IFAM beschäftigt sich im Teilprojekt mit der Untersuchung der Vorbehandlung der Elektrodenfolien und der Abscheidung funktionaler Schichten auf diesen Folien. Speziell die Schichtabscheidung mittels AD-Plasmatechnik zur Realisierung einer adhäsionsvermittelnden Wirkung steht dabei im Vordergrund. Neben der fortlaufenden Prüfung und iterativen Weiterentwicklung der Schichteigenschaften werden vom IFAM innerhalb des Projektes auch die Möglichkeiten der Oberflächenoxidmodifikation mittels der applizierten Plasmabehandlungen und den verschiedenen im Projekt verwendeten Oberflächenmodifizierungen untersucht. Zu jeder Zeit im Projekt wird den erreichten Ergebnissen der aktuelle Stand der Technik vergleichend gegenübergestellt. Diese Arbeiten erfolgen dabei sowohl im Labormaßstab angepasst auf die jeweilige Fragestellung als auch bei den Partnern auf industriell vergleichbaren Maßstäben.

Final geplanter Schritt im Projekt ist die Evaluierung von erreichbaren Prozessgeschwindigkeiten für eine mögliche Produktion und deren Auswirkung auf die Oberflächenqualität.

Bei diesen Arbeiten stehen dem IFAM hausintern eine Vielzahl von Oberflächenanalysemethoden wie REM, AFM, IR, XPS und FIB zur Verfügung. Die mittels dieser Analysemethoden erarbeiteten Erkenntnisse unterstützen die Forschungsarbeiten des IFAM und seiner Partner in diesem Projekt auf dem Weg zu einer höheren Zelleffizienz.

Die verbesserte Anbindung der Aktivmaterialien an die Elektrodenfolien ermöglicht im Erfolgsfall den Aufbau von Zellen mit größeren Aktivmaterialschichtdicken. Daraus resultierende veränderte Stapelfaktoren führen unmittelbar zu einer Effizienzsteigerung und höheren Energiedichten der Zellen. Darüber hinaus führt eine verbesserte und langzeitstabilere Anbindung der Aktivmaterialschicht an die Elektrodenfolien zu einer verringerten Alterung der Zellen. Dieser Umstand kann wiederum zu geringeren Verlusten in den Zellen führen und durch die größere Alterungsstabilität zu längeren Lebenszyklen und einem verbesserten (energiereduzierten) Recycling der Zellen führen. So sollen sich nach der Modellvorstellung kompaktere und langzeitstabilere Energiespeicher erstellen lassen.

Durch die am Projekt beteiligten Partner ist die Entwicklungs- und Fertigungskette der LIB-Produktion vollständig abgebildet. So können die Erkenntnisse aus dem Projekt im Nachgang leicht in kommerzielle Anwendungssysteme für die Herstellung von LIB überführt werden.