Beschleunigung und energetische Optimierung der Zellformierung in der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Untersuchungen zu Prozess-Eigenschaft-Beziehungen

Bei der Formierung der Lithium-Ionen-Batterien (LIB) kommt es zu einer elektrochemischen Zersetzung des Elektrolyten an den Grenzflächen der Elektroden (solid electrolyte interphase (SEI), cathode electrolyte interphase (CEI)). Die SEI und CEI schützen die Batterie vor weiterer Degradation. Daher sind SEI und CEI für die Performanz der Batterie von entscheidender Bedeutung.

Nach der Formation werden die Zellen in sogenannten Formierungstürmen im Bereich von wenigen Tagen bis Wochen gereift. Welche chemischen Prozesse während der Reifung ablaufen und wie diese durch die Formierung und die Reifungsbedingungen beeinflusst werden, bleibt in der Literatur weitestgehend unbeantwortet.

Ziel dieses Teilvorhabens ist es ein tiefergehendes chemisches Verständnis des Reifungsprozesses samt Auswirkungen auf die Performanz der LIB zu erlangen. Des Weiteren sollen die Einflussfaktoren auf den Reifungsprozess ermittelt werden, um somit eine auf Zeit und Performanz-Ebene optimierte Formierung und Reifung zu erlauben.

Das Teilprojekt der WWU Münster beinhaltet die Entwicklung einer optimierten Formierstrategie. Dies geschieht durch systematische Untersuchungen von Wirkzusammenhängen während der Formierung zu den chemischen Einflussgrößen basierend auf den vorgelagerten Prozessschritten und der Zusammensetzung gewählter Materialien und mit dem Ziel einer zeiteffizienteren Formierung bei gleichzeitiger Fokussierung der Zellqualität.

Durch die Optimierung der Formation und des Reifungsprozesses entstehen Wettbewerbsvorteile. Diese entstehen durch gesenkte Produktionskosten und erhöhte Performanz der Zelle. Die Wettbewerbsvorteile lassen sich unmittelbar nutzen, da lediglich die vorhanden Formations- und Reifungsbedingungen angepasst werden müssen.

Gesamtwirtschaftlich gesehen, führen die Wettbewerbsvorteile zu verringerten Preisen und somit zu einer erhöhten Nachfrage. Dies trifft besonders für elektromobile und stationäre Speicher- Anwendungen zu, bei denen der Batteriepreis noch ein großes Hemmnis ausmacht. Mit gesteigerten Anteilen dieser Technologien werden die Treibhausgasemmissionen deutlich sinken und somit volkswirtschaftliche Konsequenzen des Treibhauseffektes mildern.

Wissenschaftlich ist der Prozess der Reifung nahezu unergründet. Wesentliche Einblicke in die ablaufenden chemischen Prozesse zu erlangen und die beeinflussenden Faktoren zu identifizieren, stellt eine große Bereicherung für das Verständnis von LIB dar. Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen SEI und CEI und der Performanz der LIB kann Lösungsansätze für zukünftige Zellchemien bieten.