Material- und Prozessentwicklung für die effiziente Fertigung der großformatigen Bipolarbatterie

Das IPF leistet innerhalb des Verbundprojekts EMBATT2.0 wesentliche Beiträge zur Entwicklung der Materialbasis für die Bipolarbatterie EMBATT. Das Teilprojekt umfasst die Entwicklung hochleitfähiger polymerbasierter Folien, die als Durchleiter im Bipolarkonzept dienen, sowie die Entwicklung leistungsfähiger Polymerelektrolyte als Ersatz für die herkömmlichen flüssigen Elektrolytmischungen sowie die Separatormembranen.

Für das Gesamtkonzept von EMBATT lassen sich Aluminium und Kupfer, derzeit als Kathoden- bzw. Anodenableiter verwendet, aus elektrochemischen Gründen nicht einsetzen. Eine wesentliche Innovation des Projektes ist daher die Entwicklung polymerer Durchleiterfolien. Herausforderungen bestehen in der Kombination von geringer Dicke/Masse, hoher mechanischer Stabilität, Dichtigkeit und Schmelze-Prozessierbarkeit sowie den Anforderungen an hohe Energiedichten.

Aufgrund des großflächigen Aufbaus von EMBATT sind bisher in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzte flüssige Elektrolyte nicht geeignet, es werden Festelektrolyte benötigt. Daher werden polymere Elektrolyte mit ausreichender Ionenleitfähigkeit entwickelt, was zum einen das Problem langer Befüllzeiten mit flüssigen Elektrolyten umgeht, zum Weiteren durch den gewählten Precursoransatz (Verwendung von Monomermischungen) die Einbindung in kontinuierliche Technologien erlaubt und letztlich die Sicherheit im Batterieverbund signifikant erhöht. Dies soll durch den Einsatz von polymeren ionischen Flüssigkeiten und weiterer maßgeschneiderter Monomere unter der Herausforderung hoher elektrochemischer Stabilität bis 4,9 Volt erreicht werden.

Die Herausforderung im gesamten Teilprojekt besteht darin, die Material- und Prozessentwicklungen aufeinander abzustimmen, sowohl innerhalb des Teilprojekts wie auch auf die weiteren in EMBATT verwendeten Materialien (Anode, Kathode, Dichtmaterial). Die Materialien müssen in das Fertigungskonzept von EMBATT integrierbar sein.

Die Materialentwicklung für die polymere Durchleiterfolie wird auf thermoplastische, extrudierte, freistehende Folien mit geeignetem Eigenschaftsprofil von elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Stabilität, Dichtigkeit und Verarbeitbarkeit bei möglichst geringen Foliendicken fokussiert. Es wird hauptsächlich das Konzept der Nutzung der Folie als Startsubstrat für die nachfolgende Applikation von Anode, Polymerelektrolyt und Kathode verfolgt.

Arbeitsschwerpunkte sind die Auswahl und Vortestung geeigneter Polymermatrices, die Entwicklung von Nanokompositen (Favorisierung kohlenstoffhaltiger Nano- und Mikropartikel, auch in Mischsystemen) im Kleinstmengenmaßstab, Übertragung auf den Labormaßstab (kg-Mengen) sowie Folienextrusion entsprechend der Zielgrößen für Dicke und Leitfähigkeit. Zur Bewertung der Systemintegration werden Dichtheit und chemische Stabilität gegenüber den geplanten Systemen für Kathode, Polymerelektrolyt und Anode, Temperatureffekte durch Prozessierung weiterer Schichten sowie deren Haftung untersucht.

Die Materialentwicklung für den Polymerelektrolyten basiert auf der Synthese geeigneter Monomere (ionische Flüssigkeiten u. a. maßgeschneiderte Strukturen) mit hoher Lithium-Ionenleitfähigkeit und elektrochemischer Stabilität gegenüber Lithium. Diese Monomere (ggf. Mischungen) werden eingesetzt, um eine hohe Lithium-Ionenleitfähigkeit zwischen den Elektroden im Bipolarkonzept zu erreichen. Sie werden nach Einbringung von Spacerpartikeln mit Separatorfunktion und ggf. Zusatz von Leitsalzen direkt in Kontakt mit den Elektroden durch Polymerisation (thermisch oder photochemisch) in Polymerelektrolyte umgewandelt. Um diesen Prozess anpassen zu können, müssen im Vorfeld Reaktionsgeschwindigkeiten bestimmt und an den Prozessablauf angepasst werden. Des Weiteren sind die Wechselwirkungen der Monomere mit den anderen Materialkomponenten (Durchleiterfolie, Elektroden, wie oben beschrieben) zu untersuchen.

Bipolare Elektrodenaufbauten stapeln Einzelzellen als Stack und schalten diese in Reihe. Dies umgeht aufwändiges Zellpackaging und liefert Stackspannungen, die sich über die Anzahl der gestapelten Einzelzellen ergeben. Dadurch wird die Verbindungstechnik stark vereinfacht, da die Elektrodenträgerfolien selbst als großflächige Zellverbinder fungieren und der geringe Innenwiderstand die Möglichkeit gibt, sehr große Elektrodenflächen zu realisieren. Das EMBATT-Konzept überführt damit die hohe Energiedichte auf Zellebene direkt ins Batteriesystem und eliminiert den Modulaufbau als Zwischenebene. Damit werden Systemenergiedichten von > 450 Wh/l ermöglicht.

Die im Teilprojekt vorgesehenen Materialentwicklungen zu Durchleiterfolie und Polymerelektrolyten bilden die essentielle Grundlage zur Realisierung des EMBATT-Konzeptes. Mit den im Projekt vorgesehenen, abgestimmten Material- und Prozessinnovationen fokussiert es auf den Schwerpunkt ‚Materialien für sekundäre Hochenergie- und Hochleistungs-Batteriesysteme‘.

Das IPF-Teilprojekt ist materialentwicklungsorientiert und betrachtet wesentliche Komponenten der Bipolarbatterie und ihre Einbindung in die Prozessentwicklung für EMBATT. Die Entwicklungen werden so vorgenommen, dass eine nachfolgende Nutzbarkeit im EMBATT-Prozess erfolgen kann. Dieser wird beim Projektpartner thyssenkrupp System Engineering GmbH in dessen Batterietechnikum gemeinsam mit allen Projektpartnern von EMBATT2.0 entwickelt. Eine wichtige Voraussetzung ist die weitere Integration von Materialherstellern in die zukünftigen Entwicklungen (technische Realisierung der entwickelten Monomersynthesen).

Die Ergebnisse des Teilprojekts können auch in weiteren Richtungen Verwendung finden. Die neuartigen Durchleiterfolien stehen prinzipiell auch für weitere Anwendungen zur Verfügung, in denen dünne, hochleitfähige Folien benötigt werden. Die Polymerelektrolyte könnten für die Entwicklung anderer Energiespeicher, wie Supercaps, angewandt werden.