Material- und Prozessentwicklung für die effiziente Fertigung der großformatigen Bipolarbatterie

Das Fraunhofer IKTS schafft mit seinen Arbeiten wesentliche wissenschaftliche Grundlagen für die Umsetzung des EMBATT-Konzeptes. Dafür werden Entwicklungen für LiNi0,5Mn1,5O4-Kathodenmaterialien (LNMO) sowie Prozessentwicklungen zur Realisierung des Bipolarzellelementes im IKTS-Teilprojekt adressiert. Darüber hinaus adressiert das IKTS gemeinsam mit Projektpartnern die Entwicklung weiterer Komponenten (polymere Ableiterfolie, polymerer Elektrolyt, Dichtung). Daraus werden im Folgenden die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des IKTS abgeleitet, die eine Untersetzung des Projektzieles der Entwicklung der großflächigen EMBATT-Bipolarbatterie mit Produktkosten < 200 €/kWh und Energiedichten > 450 Wh/l bei Berücksichtigung intrinsischer und extrinsischer Sicherheitsfunktionen darstellen.

Es wird eine Syntheseroute für LNMO erarbeitet, welche vom Labormaßstab bis in ein kommerzielles Verfahren skaliert werden kann. Durch eine Kombination von gezielten Synthesen und analytischen Methoden (XRD, RAMAN, SEM, BET) soll ein Zusammenhang zwischen Synthesebedingungen und die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussenden Materialeigenschaften ermittelt werden. Zur Variation/Reduzierungen dieser Materialeigenschaften wird die Synthese spezifisch angepasst (verschiedene Präkursoren und Kalzinierungsparameter) und untersucht (DTA, Erhitzungsmikroskopie). Durch elektrochemische Untersuchungen (Zyklen-/Performancetests) wird ermittelt, ob das synthetisierte Material die gewünschten elektrochemischen Eigenschaften aufweist.

Es werden die Eigenschaften einer neuartigen polymeren Ableiterfolie bewertet (Rauheit, Porosität, Homogenität/Reinheit der Oberfläche, Zugfestigkeit, Dehnbarkeit) und ihre Eignung im Batteriesystem (Lösemittel- und Temperaturbeständigkeit, elektrochemische Stabilität) ermittelt. Dazu werden Beschichtungsversuche durchgeführt und das Verhalten der Beschichtung zu der Ableiterfolie und ihre Verarbeitbarkeit untersucht (Benetzungsversuche, Variation der Trocknungs- und Verdichtungsbedingungen). Hierbei soll der Kontaktwiderstand und die Haftung optimiert werden.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen soll eine optimale Schlickerzusammensetzung ermittelt werden (Aktivmaterial, Leitfähigkeitsadditiv, Polymerelektrolyt, ggf. zusätzliche Bindemittel). Es werden nasschemische (mit temporärem Lösungsmittel) als auch lösungsmittelfreie Verfahren untersucht. Für das Foliengießen sollen verschiedene Homogenisierungen (Kneter, Schneckenextruder) untersucht werden.

Für eine Butyl-Kautschuk-basierte Dichtlösung werden die chemische Materialbeständigkeit, die elektrischen Isolationseigenschaften sowie die mechanische Stabilität im Rahmen von Auslagerungsversuchen erfasst und charakterisiert.

Das Fraunhofer IKTS verwertet die Ergebnisse über seine Geschäftstätigkeit in zukünftigen Projekten bzw. über Vergabe von Lizenzen von erteilten Patenten.

Da dieses Projekt im Bereich der industriellen Vorfeldforschung angesiedelt ist, wird geplant, die gewonnenen Erkenntnisse einem breiten wissenschaftlichen Publikum auf Fachkonferenzen und in Publikationen zugänglich zu machen. Geeignet sind dafür überregionale Konferenzen und Fachzeit¬schriften. Begleitend werden die wissenschaftlichen Ergebnisse durch den institutionellen Partner in anerkannten Fachzeitschriften veröffentlicht.

Mit dem Projekt kann das IKTS seine bestehende Kompetenz bei Material- und Technologieentwicklung im Bereich der Batteriecharakterisierung und -entwicklung qualifizieren und weiterentwickeln.