Silicon Graphite goes Industry

Die Steigerung der Kapazität bzw. der Leistung pro Volumen von Lithium-Ionen-Batterien ist ein Schlüssel zur Steigerung der Akzeptanz der Elektromobilität in der Bevölkerung und damit zum Erreichen des Ziels der Bundesregierung, im Jahr 2020 eine Million aktive Elektrofahrzeuge zu etablieren. Eine vielversprechende Technologie, um dies zu erreichen, stellt der Einsatz des hochkapazitiven Siliciums als Aktivmaterial in der Anode dar. Mit diesem Ansatz ist jedoch die Herausforderung der deutlich stärkeren Volumenänderung des Siliciums bei der Aufnahme der leistungsbestimmenden Ionen verbunden, was zu einer deutlich reduzierten Langzeitbeständigkeit der Batterie führt.

Es bestehen bereits vielversprechende Ansätze im Labormaßstab, um diese Volumenänderung durch die Nutzung von Silicium-Kohlenstoff-Kompositmaterialien (Si/C-Komposite) zu kompensieren. Dabei dient der Kohlenstoff als Abstandshalter und elektrischer Leiter zwischen den Siliciumpartikeln. Somit kann die hohe Kapazität des Siliciums genutzt und gleichzeitig eine erheblich verbesserte Zyklenstabilität erzielt werden.

Das Projekt SiGgI (Silicon-Graphite goes Industry) adressiert diese Technologie und hat zum Ziel, die Schnittstelle zwischen Labor und industrieller Umsetzung abzubilden. Dafür ist neben der Materialentwicklung von Silicium-Graphit-Kompositen, welche im Fokus des Projektes stehen, auch eine hochreproduzierbare Testzellenfertigung notwendig, welche die Streuung der manuellen Testzellenassemblierung reduziert und somit die Auflösung sehr kleiner Effekte ermöglicht. Dieses Ziel wird im Projekt durch eine zu entwickelnde vollautomatisierte Testzellenfertigung umgesetzt, welche mit entsprechender Messgrößenaufnahme zur kontinuierlichen Prozessüberwachung kombiniert wird.

Das Projekt kann in drei Arbeitsschwerpunkte gegliedert werden, die parallel über die Projektlaufzeit bearbeitet werden.

Der erste Schwerpunkt liegt auf der materialtechnischen Entwicklung von siliciumhaltigem Aktivmaterial und Verfahren zur Fertigung von Silicium-Kohlenstoff-Elektroden im Technikumsmaßstab. Die Materialentwicklung beinhaltet die Materialbereitstellung, zu der die Zerkleinerung des Siliciums in den Nanometerbereich gehört sowie die Herstellung von Si/C-Kompositen, beispielsweise mittels Granulationsverfahren. Die Untersuchung der Suspensionsformulierung und Strukturanpassung der Elektroden durch die verfahrenstechnischen Prozesse Trocknung und Kalandrierung sind wichtige Elemente bei der Elektrodenherstellung.

Der zweite Schwerpunkt des Arbeitsprogramms besteht in der Konzeption und Realisierung eines entsprechenden Anlagenkonzeptes zur automatisierten Assemblierung von Testzellen für die Evaluation von materialtechnischen Entwicklungen. Durch die automatisierte Assemblierung der Systeme soll die bereits genannte Rationalisierung durch höchste Reproduzierbarkeit angestrebt werden. Zudem soll durch eine hohe Reproduzierbarkeit die Aussagekraft der Ergebnisse gesteigert und damit der Stichprobenumfang weiter reduziert werden.

Den dritten Schwerpunkt bildet die Konzeption eines Systems zur Datenerfassung, -speicherung, -verarbeitung und -auswertung (Data Mining) für Daten der Fertigung, Materialien und fertigen Batteriezellen. Dadurch lassen sich neben revolutionären Aspekten (Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien) auch evolutionäre Aspekte (z. B. verschiedene Elektrolyte oder Additive) bei der Zellentwicklung effektiv berücksichtigen.

Das Projekt liefert durch die ganzheitliche Ausrichtung einen Beitrag zur Umsetzung des hohen Potenzials von siliciumhaltigen Anoden. Die Serienreife siliciumbasierter Anodenmaterialien und deren Integration in ein Batteriesystem spielt bei der Verbesserung der Lithium-Ionen-Technologie und somit u. a. bei der Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen eine große Rolle.

Aus verschiedenen Teilaspekten des Projektes können zudem weitere Potenziale für wirtschaftliche Erfolgsaussichten einzelner Industriezweige abgeleitet werden. Die Entwicklung neuer Materialien, welche zu höheren Kapazitäten von Batteriezellen führt, ermöglicht beispielsweise einen Technologievorsprung oder zumindest eine Technologieäquivalenz deutscher Hersteller gegenüber den meist asiatischen Mitbewerbern. Die Technologie der Siliciumaufarbeitung und Kompositherstellung wird deutsche Materialhersteller in die Lage versetzen, einen effektiven Herstellungsprozess für feinskaliges Silicium zu realisieren. Ebenso können die Projektergebnisse zur Elektrodenherstellung direkt zu deutschen Zellproduzenten transferiert werden.

In der Entwicklung und Realisierung einer automatisierten Lösung für Testzellmessungen liegt großes Potenzial zur Senkung der Entwicklungskosten für weitere Technologieschritte und zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit und somit zur Möglichkeit auch geringe, evolutionäre Entwicklungsschritte versuchstechnisch auflösen zu können. Dies senkt für Unternehmen die Hürde zur Erforschung neuer Technologien, welche für die Herstellung bzw. Wahrung des Technologievorsprungs entscheidend sind. Zudem bieten sich Ansätze zur direkten wirtschaftlichen Verwertung der Projektergebnisse, welche auf der Erweiterung des Produktportfolios um Hochtechnologieprodukte mit Alleinstellungsmerkmal basieren.