Beschleunigung der Elektrolytaufnahme durch optimierte Befüllungs- und Wettingprozesse

Die Befüllung einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) mit Elektrolytflüssigkeit und das anschließende Wetting stellen die Schnittstelle zwischen Zellmontage und Formierung dar. Trotz des hohen Potenzials für Durchsatzerhöhung und Kostensenkung sowie eines wissenschaftlich unklaren Einflusses auf Qualitätsmerkmale der Lithium-Ionen-Batterie wurde der Untersuchung der Elektrolytbefüllung bisher kaum wissenschaftliche Aufmerksamkeit zuteil.

Das übergeordnete Ziel ist die Verkürzung der Befüll- und Wettingzeit bei gleichzeitig gewährleisteter Zellperformance unabhängig vom Zelldesign. Diesem Primärziel sind folgende Sekundärziele untergeordnet: die Erarbeitung eines erweiterten und methodisch beschriebenen Prozessverständnisses für Befüll- und Wetting-Prozesse in Hard- und Softcases, die anwendungsgerechte Auswahl von Separatoren auf Basis vergleichbarer Material-Kennwerte sowie die simulative Beschreibung der Benetzungsvorgänge in LIB durch geeignete Modelle. Die Überführung der erarbeiteten Forschungsergebnisse in ein Entscheidungstool, mit dem die Ableitung von Maßnahmen für das Prozess- und Zelldesign sowie der Einfluss der Zellkomponenten (Separator) für Entscheidungsprozesse aufgearbeitet werden, stellt das Tertiärziel dar.

Die Arbeitsziele der WWUM gliedern sich in zwei Aspekte. Zum einen soll der Elektrolyt im Rahmen der Befüllung charakterisiert werden. Hierzu werden umfassende chemische Eingangscharakterisierungen vorgenommen, die dann nach den verschiedenen Befüllungsschritten um elektrochemische Untersuchungen ergänzt werden sollen. Begleitend zu den nachfolgenden elektrochemischen Verfahren werden auch die chemischen Verfahren der Eingangscharakterisierung verwendet, um kontinuierlich den Alterungszustand des Elektrolyten hinsichtlich der verschiedenen Parameter (Befüllung, Zyklenverhalten) zu monitoren. Die Erkenntnisse werden entsprechend an die Partner hinsichtlich des Befüllungsschritts weitergeleitet, bieten aber auch erstmals einen Einblick in die Elektrolytstabilität in Abhängigkeit der Befüllung. Zum anderen werden Eigenschaften (Gurley Zahl, Tortuositäten) des Separators, welche mit verschiedenen Techniken quantitative erfasst werden, und die Wechselwirkung mit dem Elektrolyten (Kontaktwinkel, Impedanzmessungen) bestimmt. Außerdem wird die elektrochemische Performanz in Abhängigkeit der Befüllung und des Separators bestimmt. Mithilfe dieser Charakteristika soll es möglich sein eine geeignete Befüllung für den entsprechenden Separator vorherzusagen.

Neben dem grundlegenden Erkenntnisgewinn für die Batterieentwicklung werden mit den konkreten chemischen und physikalischen Ergebnissen der Gruppe an der Universität Münster innovative Konzepte für Separatorauswahl und Elektrolytbefüllung von Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie neue Erkenntnisse bei der Charakterisierung der Materialien erwartet. Im Erfolgsfall sollen gemeinsam mit den Partnern die Laborergebnisse in industriell verwertbare Form überführt werden. Um dies zu erreichen, wären auf jeden Fall Schutzrechte für neue Materialentwicklungen und Teilkomponenten anzustreben. Damit wird auch langfristig zur internationalen Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland und zu einer breiten Basis für die Batterieentwicklung beigetragen.

Mittelfristig soll akademischer Nachwuchs in der Batterieforschung in Form von Vorlesungen, praktischen Arbeiten im Sicherheitslabor und berufsqualifizierenden Abschlüssen ausgebildet werden. Langfristig soll Einfluss auf die Entwicklung und Fertigung von Batteriematerialien und Zellen in Hochschule und Industrie genommen werden. Weiterhin sollen durch die erzielten Ergebnisse auch neue Arbeitsplätze im Zukunftsmarkt Elektromobilität in Deutschland geschaffen werden. Aufgrund der geringen Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet sind zahlreiche Publikationsmöglichkeiten zu erwarten.

Auch nach dem Ende der Projektlaufzeit sollen die gewonnen Erkenntnisse und erzielten Ergebnisse weiteren in die Lehr- und Forschungsaktivitäten an der WWU einfließen. Dazu zählen zum einen Vorlesungen, aber auch Bachelor-, Master oder Doktorarbeiten. Zudem soll die Mitarbeit der WWU in diesem Forschungsprojekt die Know-how-Basis stärken und weiter aufbauen. Dadurch soll die WWU für zukünftige Forschungsprojekte ein attraktiver Partner sein. Da in Cell-Fi direkte Untersuchungen während der Prozesskette durchgeführt werden und nicht nur am Ende durch entsprechende Testzellen, ist es auch für die hauseigene Zelllinie von zentralem Interesse mögliche Kostenreduktion herbeizuführen.