Schnellladefähige Lithium-Energiespeicher mit verbesserter Energiedichte für den Einsatz in modularen Unterstützungs- und Antriebskonzepten

Das HiPoLiT-Gesamtvorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, Batterien zu erarbeiten, die sich gegenüber dem Stand der Technik durch die signifikant verbesserte Kombination der Schnellladefähigkeit bei praxisgerechter Energiedichte, Lebensdauer und herausragender Sicherheit auszeichnen. Für den Einsatz in den angezielten Hochleistungszellen weisen konventionelle Separatoren Fertigungs-, Performance- und Sicherheitsmängel auf.

Freudenberg Performance Materials (FPM) erarbeitet hierfür neuartige Separatoren, die hohe Stromdichten gewährleisten können, um die verfügbare Energie- und Leistungsdichte auch bei hoher Strombelastung zu maximieren und zudem eine auch bei hoher thermischer und mechanischer Belastung zuverlässige Trennung der Elektroden sicherzustellen.

In den vergangenen Jahren hat FPM eine innovative Separatortechnologie entwickelt mit herausragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften. Hierbei werden sehr dünne Polyester-Vliesstoffe genutzt, welche teilweise mit anorganischen Partikeln in einem speziellen Verfahren imprägniert werden. Die Dicke der Separatoren beträgt derzeit 25-30 µm. Imprägnierte Separatoren dieser Bauart sind temperaturbeständig bis mehr als 200°C und zeigen dabei keinen Schrumpf.

Ausgehend von dieser Technologieposition hat FPM das Ziel, im Rahmen seines Teilprojektes einen neuen Separator zu erarbeiten, der unter Beibehaltung seiner thermischen Stabilität den besonderen Projektanforderungen hinsichtlich der Spannungslage, Strombelastung und Wärmeentwicklung gerecht wird. Darüber hinaus muss er mit den weiteren in der Zelle eingesetzten Komponenten kompatibel sein sowie mit dem Zelldesign und den Prozessen der Zellproduktion (Trocknung, Imprägnierung, Schweißung) abgestimmt werden.

Im Hinblick auf die Erarbeitung eines Anforderungprofils für die Zellkomponente Separator wird zunächst eine Designmatrix für den Separator inklusive quantitativer Methodenbeschreibung erstellt. Als nächstes wird anhand eines bestehenden Separators ein Startpunkt für die Material- und Laborbatteriecharakterisierung festgelegt. Nach der Erarbeitung von Material- und Prozesskonzepten für Vliesstoff, Füllmaterial und Bindemittel erfolgt die Herstellung von Separatormustern im Labor. Letztlich ergibt sich eine Erprobung der Muster in Laborzellen, die eine iterative Optimierung der Materialien nach sich zieht. Zum Schluss erfolgt der Transfer auf die Pilotanlage. Hier werden die Separatormaterialien ebenfalls charakterisiert und iterativ optimiert.

Durch Funktionalisierung des Separators (Partikelauswahl, Materialbehandlung, Prozessführung) soll die potenziell schädliche Wirkung der hohen Kathodenspannung in Kombination mit Restfeuchte und deren Alterungsmechanismen unterdrückt werden.

Eine Stärke der FPM Separatortechnologie ist die hohe Adaptabilität auf spezielle Anwendungsbedürfnisse. In enger Abstimmung mit dem Zellhersteller kann FPM in hohem Maße die Materialdicke, Porosität und vor allem die Chemie der eingesetzten Materialien anpassen. Unseres Wissens ist diese Fähigkeit eine besondere Alleinstellung in dem intensiv bearbeiteten Markt der Separatorlieferanten. Die weitere Funktionalisierung des Separators weg von einem reinen Abstandshalter hin zu einer Komponente, die aktiv auf die Sicherheit, Zellprozesskosten, Performance und Lebensdauer Einfluss nehmen kann, entspricht der grundlegenden Agenda der Entwicklungsaktivitäten von FPM in diesem Gebiet.

Im HiPoLiT-Konsortium sind Partner vorhanden, die in der Lage sind, das Separatorpotenzial zu erkennen und in gemeinsamer Arbeit im Sinne der Anforderungen des Endanwenders zu heben.

Durch das Projekt gewinnt FPM wesentliche Erkenntnisse zur Stabilisierung und Optimierung der Fertigungstechnologie und die Darstellung der notwendigen Separatormenge zum Aufbau der Applikationsdemonstratoren. Die anschließende Kommerzialisierung aus Fertigung in Deutschland erwarten wir ca. 2 bis 3 Jahre nach Projektende.

Durch die fortlaufende Anpassung und Verbesserung des Produktes und der Technologie in enger Anbindung an die Weiterentwicklung von Elektroden und Elektrolyt werden wir ein neuartiges Material in den Markt einführen können. Die Arbeitsergebnisse werden durch Patentanmeldungen oder andere Schutzrechte geschützt. Gegebenenfalls und nach Absprache mit den Konsortialpartnern werden die Ergebnisse auf Fachtagungen und in Publikationen veröffentlicht.

Das Ziel ist es somit, im Material- und Komponentenbereich die notwendigen Beiträge für den Separator zu liefern, sodass bei Verwendung der geplanten Anoden- und Kathoden-Kombination anwendungsgerechte Energiespeicher darstellbar sind, die die gewünschten Eigenschaften erfüllen.