Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Lithium-Ionen-Batterien sind momentan aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte die meistverbauten elektrochemischen Energiespeicher in tragbaren elektronischen Geräten. Aufgrund der hohen Material- und Produktionskosten konnten sie sich bisher allerdings noch nicht flächendeckend für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität etablieren. Ziel des Projektes ist es daher, alternative Zellarchitekturen und Herstellungsprozesse für Lithium-Ionen-Batterieelektroden mit hohen Flächenbeladungen zu entwickeln. Durch die damit einhergehende Einsparung an passiven Komponenten und die Reduzierung der Produktionszeit können mit einer verringerten Zahl an Elektrodenlagen die Energiedichte erhöht und gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt werden.

Neben der zunehmend schwierigeren Prozessführung bei der Elektrodenherstellung sind die auftretenden Transportlimitierungen in der porösen Elektrodenschicht die größte Herausforderung für das hier vorgeschlagene Konzept mit dicken Elektroden (Schichtdicke >300 µm). Durch einen kombinierten Ansatz aus Experiment und Simulation soll ein tiefgehendes Verständnis der Transportprozesse in dicken Lithium-Ionen-Batterien aufgebaut werden, um die Entwicklung dieser Technologie weiter voranzutreiben. Durch den holistischen Ansatz, welcher im Projekt verfolgt wird, sollen geeignete Strukturierungskonzepte ermittelt und in die Fertigung überführt werden, um das theoretische Potenzial von Batteriezellen mit dicken Elektroden voll auszuschöpfen.

In dem hier vorgestellten Teilprojekt sollen mit Hilfe detaillierter elektrochemischer Simulationen der Struktureinfluss auf die Leistung der Batteriezelle untersucht und Verbesserungskonzepte abgeleitet werden. Dazu werden in der Arbeitsgruppe Multiphysikalische Modellierung des DLR am Helmholtz-Institut in Ulm mikrostruktur-aufgelöste Simulationen mit der eigens entwickelten Software BEST durchgeführt. Das konstituierende Gleichungssystem ergibt sich aus den Erhaltungsgleichungen für Masse, Ladung und Energie im Aktivmaterial und Elektrolyten und wurde aus den fundamentalen Zusammenhängen der Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik abgeleitet. Die daraus folgenden Modelle ermöglichen die 3D-ortsaufgelöste Berechnung der Konzentrations- und Potentialverteilung auf Zellebene. Aus diesen Informationen können Transportengpässe ermittelt und Verbesserungsvorschläge abgeleitet werden.

In einer frühen Phase des Projektes werden die Parameter, die für die Simulationen nötig sind, der untersuchten Materialsysteme in enger Abstimmung mit den experimentellen Gruppen bestimmt und anhand elektrochemischer Messungen validiert. Dazu werden von den Prozessgruppen spezielle Modellelektroden verwendet, deren Struktur mit Hilfe bildgebender Methoden, insbesondere Synchrotron-Röntgentomographie, erfasst und durch stochastische 3D-Strukturmodelle der Projektpartner an der Uni Ulm abgebildet wurde. Auf Basis dieser Daten sollen durch virtuelles Elektrodendesign verbesserte Strukturen für hochkapazitive, dicke Elektroden ermittelt werden. Mögliche Optimierungskonzepte ergeben sich aus

• Variation der Partikelgröße und Porosität,

• Perforation mittels Laser,

• geschichtetem Auftrag von Elektrodenlagen mit Gradienten in der Porosität und

• Verwendung einer Mischung verschiedener Aktivmaterialien (Blends).

Mit Hilfe umfangreicher Simulationsstudien können so für die angeführten Konzepte Material-Struktur-Leistungs-Korrelationen abgeleitet werden, die den Prozessgruppen als Leitfaden bei der Entwicklung optimierter Elektroden dienen. Darüber hinaus werden die gewonnenen Erkenntnisse mit Hilfe einer Datenbank dem Forschungscluster ProZell zur Verfügung gestellt und können so auch direkt von anderen Projekten verwertet werden.

Das im Projekt untersuchte Konzept für Lithium-Ionen-Batterien mit dicken Elektroden bietet das Potenzial, die Energiedichte der Gesamtzelle weiter zu steigern und gleichzeitig die Kosten für Materialien und Produktionsprozesse zu reduzieren. Dadurch eröffnen sich neue Anwendungsgebiete und Wirtschaftsfelder, insbesondere im Bereich stationärer Speicher und Elektromobilität.

Die detaillierten elektrochemischen Simulationen schaffen den Brückenschlag von fundamentalen Untersuchungen der Elektrodenstrukturen und -materialien zur Leistung der finalen Batteriezelle. Die sich ergebenden Material-Struktur-Leistungs-Korrelationen finden direkten Eingang in die aktuellen Arbeiten der prozessseitig tätigen Projektpartner und können darüber hinaus unmittelbar in der produzierenden Industrie verwendet werden. Die vorgeschlagene Methodik des „virtuellen Elektrodendesigns“ ist nicht auf die aktuell untersuchten Materialsysteme begrenzt, sondern kann auch auf Systeme der nächsten Generation übertragen werden. Dies ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Entwicklungszeit und Entwicklungskosten für neue Technologien, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit der Batteriezellproduktion in Deutschland langfristig gestärkt wird.