Material- und Prozessentwicklung für die effiziente Fertigung der großformatigen Bipolarbatterie

Im Rahmen des Teilprojekts soll eine bipolare Elektrode mit innovativen Materialien entwickelt werden. Für die Entwicklung des Fertigungsprozesses des bipolaren Systems ist es überdies von enormer Wichtigkeit ein Modellsystem bereitzustellen, um schon in einer frühen Phase des Projekts an der Entwicklung des Bipolarzellelements und des Bipolarstacks beginnen zu können. Parallel dazu soll eine kosteneffiziente Herstellmethode für Hochvolt-Kathodenmaterialien durch die Projektpartner entwickelt werden. Ebenso sollen eine polymere Ableiterfolie und neuartige Elektrolytmaterialien durch Projektpartner entwickelt werden. Diese Materialien finden ebenfalls Eingang in die Rezeptur- und Prozessentwicklung im Teilprojekt der Litarion GmbH.

Die besondere Herausforderung liegt in der Entwicklung der Prozesse für die Beschichtung und der Nachfolgeprozesse. Die Prozesse müssen für eine asymmetrische Beschichtung der Anode und der Kathode auf einem gemeinsamen leitfähigen Trägermaterial geeignet sein. Sowohl die Anoden- als auch die Kathodenbeschichtungsmasse muss so ausgelegt sein, dass sie zufriedenstellende Haftungseigenschaften auf dem gemeinsamen Träger ausbildet. Ebenso müssen beim nachgeschaltetem Kalandrieren die Verdichtungseigenschaften für Anoden- und Kathodenseite aufeinander abgestimmt sein.

Wesentliche wissenschaftliche und technische Aspekte sind die Entwicklung von Elektrodenrezepturen für die Bereitstellung eines geeigneten Modellsystems sowie die Entwicklung von Elektrodenrezepturen mit im Projekt entwickelten Kathoden-, Ableiter- und Elektrolytmaterialien. Hinsichtlich der Prozesstechnik sind geeignete Verfahren zur Herstellung der Beschichtungsmasse, für die Beschichtung und des Kalandrierens zu entwickeln. Ebenso sind die Implikationen der neu entwickelten Materialien auf die Prozessführung bis zur fertigen Bipolarelektrode und der Nachfolgeprozesse zu evaluieren. Abschließend muss die Eignung dieser Prozesse hinsichtlich eines Scale-Up bewertet werden.

Zunächst sollen die entwickelten Hochvolt-Kathodenmaterialien hinsichtlich ihrer Pulvercharakteristik analysiert werden. Dies geschieht in erster Linie beim Projektpartner IKTS. Aufgrund der langjährigen Erfahrungen der Litarion bei der Einführung neuer Materialien in die Komponentenfertigung werden ergänzende Untersuchungen auch bei der Litarion durchgeführt und mit den Ergebnissen am IKTS abgeglichen.

In einem zweiten Schritt setzt die Produktentwicklung zur Formulierung der Elektrodenrezepturen ein, was ebenfalls in enger Abstimmung mit dem IKTS erfolgen soll. In einem iterativen Prozess werden auf diese Weise die Pulver und die dazugehörige Prozessführung der Synthese hinsichtlich entnehmbarer Kapazität erforscht. Die Entwicklung der Formulierung der Beschichtungsmasse soll hauptsächlich am IKTS erfolgen. Versuche zur Verdichtung der Elektroden und deren Wirkzusammenhänge mit den elektrochemischen Eigenschaften ist ebenfalls ein Arbeitsschwerpunkt der Litarion.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten ist die Bereitstellung einer bipolaren Modell-Elektrode, um parallel zu den materialtechnischen Entwicklungen schon an den Entwicklungen auf der Systemebene starten zu können. Dieses Modellsystem sollte anodenseitig auf LTO aufbauen. Eine entsprechende Entwicklung der Elektrodenrezeptur mit hoher Flächenbeladung ist bis in den Technikumsmaßstab zu erreichen. Dies muss auch die Entwicklung des Kalandrierprozesses berücksichtigen. Für die Kathode kommen neben den zu entwickelnden LMNO-Materialien auch nickelreiche NMC-Materialien mit erhöhter Potentiallage in Betracht. Auch hierfür muss die entsprechende Elektrodenformulierung unter Berücksichtigung der Verdichtungseigenschaften entwickelt werden. Sowohl für Anode als auch für die Kathode gilt es, eine entsprechende Beschichtungstechnologie zu entwickeln. Gleiches gilt für den Elektrolyt, der auf das Modellsystem angepasst werden muss.

Aus den Entwicklungen für die Herstellung von Elektroden zur Entwicklung von bipolaren Zellelementen aus innovativen Aktivmaterialien, Elektrolyten und Ableiterfolien werden technische Impulse auch in den Herstellverfahren für die herkömmliche monopolare Lithium-Ionen-Technologie erwartet. Die Kenntnisse, die innerhalb dieses Projekts bei den industriellen Partnern gesammelt werden, können für die Litarion als Komponentenhersteller verwendet werden. Sie bilden die Basis für die nachfolgenden Fertigungsschritte in der gesamten Wertschöpfungskette und stellen wichtige Fortschritte für den Standort Deutschland im weltweiten Wettbewerb bei der Lithium-Ionen-Technologie dar.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse im Bereich Material- und Rezepturentwicklung sowie der Erforschung von geeigneten Prozesstechnologien sollen neue Formulierungen und Herstellmethoden für Elektroden resultieren, die Eingang in marktfähige Produkte finden. Es wird erwartet, dass das tiefere Verständnis der Auswirkungen der einzelnen Prozessparameter auf die Leistungsfähigkeit der Elektroden durch entsprechende Auswahl geeigneter Rohstoffe und Herstellprozessen zu deutlichen Verbesserungen bei den Leistungsparametern und den Herstellkosten führt. Darüber hinaus können die Ergebnisse als Ausgangspunkt für weitere Forschungsprojekte genutzt werden, etwa zur Entwicklung von Komponenten mit höheren Energiedichten und höherer Sicherheit.