Prozess- und Zellentwicklung auf Basis durchlässiger klassischer Trägerstrukturen für Elektroden

Die Entwicklung kostenoptimierter elektrochemischer Energiespeicher mit hohen Energiedichten und Lebensdauern bilden die zentrale Voraussetzung für die Durchsetzung elektrischer Mobilitätskonzepte in künftigen Verkehrsstrukturen. Die Entwicklung der Elektromobilität hängt dabei wesentlich von der Akzeptanz der Nutzer ab, deren Kerninteressen insbesondere hinsichtlich Reichweite (= hohe Energiedichte) und Kosten (= Effizienz) in heutigen Elektrofahrzeugen zum Teil noch nicht realisiert sind.

Um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, muss die Energiedichte der Speicher gesteigert werden, was den Einsatz neuer Speichermaterialien erfordert. Silicium als Anodenmaterial übersteigt in seiner theoretischen Speicherfähigkeit die des Graphits gravimetrisch um fast das Zehnfache und ist daher für den Einsatz in Lithium-Ionen-Hochenergiezellen prädestiniert. Jedoch ist der Einsatz von Silicium in kommerziellen Systemen trotz intensiver universitärer und industrieller Forschung aufgrund der großen Volumenänderung des Siliciums im Zuge der Lade-/Entladevorgänge bislang nicht gelungen.

Im Rahmen des Projekts PRODUKT entwickelt die Wacker Chemie AG Silicium-haltige Anodenaktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Die Arbeiten haben zum Ziel, die bei Silicium-Aktivmaterialien durch Materialinstabilität und SEI-Effekte auftretenden Kapazitätsverluste mittels Oberflächenmodifizierungen zu reduzieren. Durch Aufbringen geeigneter Beschichtungen sollen irreversible initiale und kontinuierliche Kapazitätsverluste verringert werden.

Die Arbeiten der Wacker Chemie AG im Verbundprojekt PRODUKT konzentrieren sich auf die Entwicklung modifizierter Aktivmaterialien, die Auswahl geeigneter Bindersysteme, die Entwicklung von Elektrodenpasten und elektrochemische Tests an den entwickelten Materialien und Elektroden. Daneben werden Beiträge zur Festlegung der Material-Zieleigenschaften, zur Elektrolytauswahl und zum Design des Elektrodenkonzeptes erbracht.

Im Arbeitsschwerpunkt „Si-Materialien und Materialkomponenten“ soll durch Aufbringen einer flexiblen, im Elektrolyten nicht quellbaren Beschichtung oder durch Auswahl geeigneter Partikelstrukturen die Si/Elektrolyt-Kontaktfläche minimiert und dadurch der irreversible initiale Kapazitätsverlust verringert werden. Kontinuierliche Verluste sollen durch ein flexibles, im Elektrolyten quellbares Polymer-(Gel-)Topcoat reduziert werden (SEI-Flexibilisierung).

Weiterhin sollen die Silicium-Aktivmaterialien für die Einbringung in die im Projekt verwendeten dreidimensionalen Ableiterstrukturen adaptiert und entsprechende Verarbeitungsmethoden entwickelt werden. Entwicklungsmaterialien aus dem Projekt werden den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.

Zur parallelen Beurteilung anderer Entwicklungswege sollen zudem ggf. weitere Materialien (Aktivmaterialien, Binder, Elektrolyte) bereitgestellt werden, die außerhalb des Projektes PRODUKT entwickelt werden.

Für die Arbeiten wird Wacker Silicium-haltige Materialien aus industriell verfügbaren Vorstufen zur Verfügung stellen.

Silicium-Anoden versprechen eine deutliche Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Gerade für vollelektrische Fahrzeuge könnte dies eine entsprechende Erhöhung der Reichweite mit sich bringen.

Im Rahmen des geplanten Projektes soll gezeigt werden, ob Silicium-Partikel für die Integration in eine dreidimensionale Ableiterstruktur so modifiziert werden können, dass sich die bekannten Probleme bei Verwendung von Silicium-Anodenmaterialien prinzipiell lösen lassen. Es wird erwartet, dass die potenzielle Konzept-Umsetzbarkeit gezeigt werden kann, womit die Voraussetzungen für eine technische Weiterentwicklung und Marktetablierung erfüllt sind.

Die im Rahmen des Projektes erzielbaren Ergebnisse könnten in idealer Weise mit den umfangreichen Erfahrungen der Wacker Chemie AG in Synthese, Charakterisierung und Modifizierung von Silicium in der Herstellung von Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien der 3. Generation umgesetzt werden.

Im geplanten Verbund ergänzen sich die Kompetenzen der Partner Bender, BMW, Varta, Wacker und ZSW hervorragend. Wacker bringt quasi „aus einer Hand“ eine abgestimmte Materiallösung für die Batterieanode in das Forschungsvorhaben ein.