Ökologisch und ökonomisch hergestellte Lithium-Ionen-Batterien für „Batterie 2020“

Dem großflächigen Einsatz von Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher in Elektrofahrzeugen stehen heute noch die mangelnde Energiedichte der Zellen, sowie die mangelnde Sicherheitseigenschaften mit zunehmender Lebensdauer bzw. mangelnde Sicherheitseigenschaften im Fall eines Unfalls und daraus folgender Verletzung der Batterie auf Zellebene entgegen. In beiden Punkten kann der Separator entscheidende Verbesserungen bewirken.

Ziel dieses Teilvorhabens ist deshalb die Entwicklung und Herstellung von sicheren Separatoren für Lithium-Ionen-Zellen hoher Energiedichte, die v. a. in mobilen Anwendungen wie Elektroautos verwendet werden. Darüber hinaus soll vor dem Hintergrund einer späteren kommerziellen Verwertung eine wirtschaftlich sinnvolle Skalierbarkeit des Separators auf hohe Volumina durch Simulationsbetrachtungen sowie der Durchführung punktueller Stichversuche geprüft werden. Im Rahmen des Projektes wird die Lithium-Ionen-Separatortechnologie von Freudenberg erstmalig auf die konkrete, automobilgerechte Eignung in PHEV1-Zellen (FPL des ZSW) sowie in PHEV2- Zellen (VWVM) erprobt. Dabei sollen die grundsätzliche Eignung im Batteriesystem, die sicherheitsrelevanten Vorteile der PHEV1- und PHEV2-Zellen, das zellproduktionsgeeignete Verhalten, die zuverlässige Separatorproduktion im Rahmen der automobilzulässigen Toleranzgrenzen sowie die experimentell abgesicherte, ökonomische, investitionsreife Darstellung der Produktionstechnologie für Großmengen nachgewiesen werden.

Herausforderungen sind hier v. a. die Anpassung der kompletten Separator-Prozesskette an die Erfordernisse der Automobilindustrie in den Punkten, Energiedichte und Sicherheit, Ausbeute und Fehlerfreiheit, sowie Wirtschaftlichkeit. Besonders der letzte Punkt erfordert eine lange Lebensdauer des Separators um die Weiterverwendbarkeit benutzter Automobil-Zellen in einem „zweiten Leben“ in stationären Speichern zu ermöglichen.

Lithium-Ionen-Zellen hoher Energiedichte erfordern besonders dünne Separatoren, die aber gleichzeitig hohe Sicherheitseigenschaften besitzen müssen. Hier sind vor allem eine hohe Penetrationsbeständigkeit gegenüber Fremdkörpern und Partikeln, sowie eine ausgezeichnete thermische Stabilität durch geringsten Schrumpf und die Verhinderung von thermischem Aufschmelzen gefordert. Konventionelle Polyolefin-Separatoren können diese Maßgaben nicht erfüllen. Deshalb versucht man zunehmend deren Design-Schwächen durch eine nachträgliche keramische Oberflächenbeschichtung zu kompensieren. Da die Grundstruktur solcher beschichteten Membranen nach wie vor eine gereckte Polyolefinstruktur besitzt, sind diese Maßnahmen nur als Kaschierung der in den Membranen innewohnenden Schwächen zu sehen.

Die Freudenberg-Separatortechnologie nutzt sehr dünne Polyester-Vliesstoffe, die mit anorganischen Partikeln imprägniert werden, wodurch eine Temperaturbeständigkeit bis mehr als 200°C ohne Schrumpf und hohe Penetrationsbeständigkeit gewährleistet ist. Durch ein Redesign des Basisvlieses und Anpassung der anorganischen Partikel und des Imprägnierprozesses wird im Rahmen dieses Projektes ein neuer Separator entwickelt, der unter Beibehaltung der thermischen Stabilität den besonderen Anforderungen der Elektrolyte, Anoden und Kathoden, aber auch der Zellproduktion und des Zelldesigns entsprechen wird. Durch Entwicklung eines ökonomischen Kostenmodells wird zudem eine spätere kommerzielle Verwertung und der Scale-up auf von der Automobilindustrie geforderte Mengen wirtschaftlich untersucht, um die Prozesskette entsprechend zu optimieren.

Mithilfe dieses Projekts gewinnt Freudenberg Prozesserfahrung in der gesamten Wertschöpfungskette der Separatorentwicklung und -produktion (Vliesproduktion, Pastenherstellung, Imprägnierung und Konfektionierung) und erhält die Gelegenheit, die bereits bestehenden Verfahren und Prozesse an die speziellen Anforderungen der Automobilindustrie anzupassen und zu optimieren. Ein Ziel der strategischen Entwicklung der Freudenberg Performance Materials SE & Co. KG ist es, seine Position als Lieferant von Separatormaterialien national und international zu stärken. Mithilfe der in diesem Vorhaben gewonnenen Erkenntnisse ist es möglich die Lithium-Ionen-Separatorproduktion auszubauen, sodass eine Großserienzellfertigung in Deutschland problemlos ermöglicht wird. Hierzu gehört auch, die flexible Anpassung der Einzelkomponente Separator an unterschiedliche Zellgeometrien.

Des Weiteren erweitert Freudenberg das vorhandene batteriespezifische Know-how durch die mannigfaltige Vernetzung mit den anderen Partnern in den jeweiligen Arbeitspaketen. So können wir die Abhängigkeiten der Batterieperformance von den Separatoreigenschaften tiefer durchdringen. Gerne bieten wir unsere Expertise zu Separatoren auch Konsortien anderer durch das BMBF oder BMWi geförderten Projekten an, um deren Partnern die Möglichkeit zur Verwendung der hier entwickelten Separatoren zu ermöglichen.