Umweltfreundliche Hochenergie-NMC-622-Kathoden mit optimierter Speicherkapazität/ High-Load-Kathoden

Einen wesentlichen Einfluss auf Funktion und Performance von sekundären Lithium-Ionen Speichern haben die Elektrodenstrukturen und eingesetzten Materialien. Durch eine angepasste Strukturierung der Kathode ist es möglich, die Energiespeicherdichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen weiter zu optimieren, um die Anforderungen automobiler Anwendungen zu erfüllen und die Reichweite von Elektroautos zu steigern. In der Regel müssen mobile Sekundärspeicher allerdings gleichzeitig eine hohe Schnelladefähigkeit aufweisen, was durch eine dicke, poröse Elektrode mit schlechter Lithiumionendiffusion erschwert wird.

An diesem Zielkonflikt zwischen optimaler Energie- und Leistungsdichte setzt das Vorhaben HiLo an. Basierend auf den Ergebnissen der Modellierung des Trade-offs soll das Design der Elektrode mit unterschiedlichen Herstellverfahren umgesetzt werden. Das FhG-Konsortium aus IKTS und ISIT konzentriert sich in dem Vorhaben auf die sogenannte kaltplastische Folienextrusion und das lösemittelfreie Trockenbeschichtungsverfahren. Wie in allen Projekten des ProZell-Clusters üblich, werden in HiLo dafür Hochenergiepulver von Typ NMC 622 eingesetzt.

Im IKTS-Teilprojekt stehen extrusionsbasierte Fertigungsverfahren im Vordergrund, um die angestrebten Flächengewichte und Packungsdichte der Elektroden zu erreichen. Mit steigenden Feststoffgehalten der Elektrodenpasten können höhere Beladungen und Energiedichten realisiert werden. Des Weiteren wird im NMC-622-Pulver gezielt der Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die Performance untersucht. Eine entsprechende Mahlung, Klassierung und Granulierung von kommerziell verfügbaren Pulvern ist mit vorhandener Prozesstechnik möglich. Neben Rezepten auf Basis von organischen Lösemitteln stehen auch wässrige im Fokus der Untersuchungen. Die chemische Stabilität des NMC-Aktivmaterials in wässriger Aufbereitung wird dabei analysiert.

Für die Aufbereitung werden gezielt verschiedene Mischtechnologien (Kneter, Doppelschneckenextruder, Walzwerke) betrachtet, um den erweiterten Viskositätsbereich extrudierfähiger Massen experimentell abzudecken. Diese Rezepturen werden in Beschichtungsuntersuchungen (Tapecaster, Einschneckenextruder) unter Variation von Feststoffgehalt und Viskosität eingesetzt und auf die Stromsammlerfolie laminiert. Konventionelle Trocknungs- und Verdichtungsprozesse sind hierbei nicht geeignet, um dicke, gut haftende und rissfreie Beschichtungen zu erzielen.

Im ISIT-Teilprojekt der Trockenbeschichtung sollen Elektroden mit höherer Kapazität realisiert werden, da bislang die Grenze für elektrostatische Beschichtung bei 1,5 mAh/cm² liegt. Der limitierende Faktor ist dabei die elektrostatische Übertragung des pulverförmigen Elektrodenmaterials als Mischung aus den Aktivmaterialien, Zuschlägen und dem Binder auf die Stromsammlerfolie. Daher sollen in diesem Projekt Sprühverfahren und mehrlagige Beschichtungen untersucht werden.

Die hergestellten Elektroden werden im Anschluss hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften als Knopf- und Pouchzelle charakterisiert. Abschließend erfolgt die Charakterisierung des Elektrolytbenetzungsverhaltens, um den Einfluss der entwickelten Elektrodenstruktur auf Folgeprozesse bewerten zu können. Insgesamt soll damit die Dauer der Benetzung verkürzt werden, um die Herstellkosten bei der Zellfertigung zu senken.

Prinzipiell sollten zur Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen inerte Bestandteile der Elektrode wie Ableiterfolie, Binderanteile und Totvolumen/Packungsdichte minimiert werden. Ein möglicher Pfad, um dies zu erzielen, kann dabei die Erhöhung der Flächengewichte respektive Beladungen der Elektrode sein. Mit steigender Beladung und Schichtdicke kann mehr Kapazität in der Zelle erreicht werden und darüber bei gleichbleibender Kapazität auf Modulebene die Anzahl der Zellen sinken. Über diesen Effekt wird der Anteil inaktiver Materialen verringert.

Die Entwicklung der Extrusions- und Trockenbeschichtungstechnik für die Kathodenherstellung von sekundären Energiespeichern bietet eine Verbesserung der üblichen slurrybasierten Beschichtungstechniken (z. B. Tapecasting, …). Neben der einfachen Beschichtung von höheren, formstabilen Schichtdicken, erreicht man mittels Extrusion zudem höhere Feststoffanteile. Demensprechend werden Lösemittel eingespart und der Energiebedarf für den aufwendigen Trocknungsprozess kann sinken, was unter ökologischen Gesichtspunkten gegenüber der konventionellen Technologie einen Mehrwert darstellt.

Der Prozess der Zellformierung stellt aufgrund seines hohen Zeitaufwandes einen großen Kostenfaktor bei den Herstellkosten dar und ist als Know-how der Zellerhersteller kaum bekannt. Am IKTS ist eine chronoamperometrische Methodik entstanden, welche den Formierungsprozess analysieren und ggf. verringern kann. Dadurch können die Formierungsbedingungen sehr gut an die ermittelte Elektrodenstruktur angepasst werden.