Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Am ZSW sollen Kathoden mit sehr hohen Flächenkapazitäten (Ziel: 12 mAh/cm²) im Vergleich zum Stand der Technik (3 bis 4 mAh/cm²) entwickelt werden, indem sehr dicke Elektrodenschichten aufgebracht werden. Das Verhältnis von Aktivmaterialmasse zu inaktivem Massenanteil der Zelle wird dadurch erheblich erhöht, die Volumenausnutzung im Gehäuse gesteigert.

Die Kapazität hochkapazitiver, stark verdichteter Elektroden ist jedoch kinetisch stark limitiert. Damit alle Elektrodenbereiche im gängigen anwendungsrelevanten Entladestrombereich zur Kapazität beitragen können, muss unter anderem ein hinreichend schneller Ionentransport in die tiefen Bereiche der Elektrode sichergestellt werden, ohne die Gesamtporosität der Elektrode so weit zu erhöhen, dass dadurch der Energiedichtegewinn, der durch die hohe Flächenbelegung der Elektroden erreicht werden soll, kompensiert wird. Dies soll durch materialseitige Strukturierungsmaßnahmen realisiert werden.

Die durch eine einfache Auftragstechnik realisierte sehr hohe Flächenbelegung ermöglicht es, Hochenergiezellen mit deutlich weniger Elektrodenlagen zu assemblieren und dadurch den Stapel- bzw. Wickelprozess stark zu verkürzen. Die Verarbeitbarkeit der sehr dicken Elektroden wird durch Beschichtungen im Pilotmaßstab sowie durch die Herstellung von Pouch-Zellen in Einkompartment-Konfiguration untersucht.

Ein weiteres Ziel des Teilvorhabens ist es, die Prozess-Anforderungen zu verstehen und Produktionskonzepte zu erarbeiten, mit denen eine Fertigung dicker Hochenergieelektroden trotz der großen produktionstechnischen Herausforderungen mit hoher Homogenität, mechanischer Stabilität, Substrathaftung und Elastizität realisiert werden kann.

Am ZSW werden Rezepturen und Prozesse zur Herstellung sehr dicker, strukturierter Elektroden erforscht. Verschiedene Gestaltungskonzepte werden erprobt.

Experimentelle Daten des ZSW fließen in die Modellierung und Simulation von Partnerinstituten (UU, HIU, iNES) ein, die ihrerseits optimale Konfigurationen ermitteln. Am ZSW werden positive Konfigurationen aus der Modellierung experimentell umgesetzt und die Übereinstimmung mit der Vorhersage evaluiert.

Insbesondere soll mit Hilfe hierarchischer Strukturierung der Elektroden bezüglich Partikel- und Porengrößenverteilung sowie Eigenschaftsgradienten von Aktivmaterial die bei sehr dicken Elektroden zunehmende Transportlimitierung behoben und eine anwendungsrelevante Strombelastbarkeit erreicht werden. Hierzu wird der Einsatz von Porenbildnern und Partikelgrößenblends, der mehrschichtige Auftrag von Kathodendispersionen und eine schichtweise unterschiedliche Verdichtung durch Mehrfachkalandrieren erforscht.

Um dicke Elektrodenbeschichtungen in annehmbarer Qualität herstellen zu können, werden begleitend dazu die Anforderungen an die Rezeptur und den Herstellungsprozess erforscht. Hierbei wird unter anderem der Anteil und die Verteilung von Bindern in Abhängigkeit von der Entfernung zum Kollektor betrachtet. Außerdem wird der Einfluss der Trocknungsparameter auf die Haftfestigkeit, Elastizität, Rissbildung und Querkontraktion des Elektrodenkomposits ermittelt.

Der Projekterfolg wird durch die Herstellung dicker strukturierter Elektroden und deren Charakterisierung in Vollzellen evaluiert.

Wenn die Ziele des Projekts realisiert werden können, ist zum Projektende die Demonstration von Lithium-Ionen-Zellen mit sehr hoher Energiedichte und dennoch guter Leistung bei verminderten Herstellungskosten zu erwarten. Umfangreiche Kenntnisse über den Herstellungsprozess werden vorliegen. Die Aussicht auf eine Technologieführerschaft kann einen Motivationsschub für eine bisher fehlende Massenproduktion von Lithium-Ionen-Zellen in Deutschland bewirken.