Effiziente Formierungsstrategien zur Erhöhung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie der Kostensenkung in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen/Batterien

Ziel des Projekts ist es, auf Basis grundlegender Untersuchungen zur Formierung, vor allem zum Me-chanismus der Bildung der anodischen SEI (Solid Electrolyte Interphase), aber auch der kathodischen „SEI“ (Cathodic Decomposition Layer – CDL) die Formierungszeit und damit die Kosten stark zu redu-zieren. Zudem sollen stabile SEI-Schichten aufgebaut werden, die vorteilhaft für die Lebensdauer sind und sich positiv auf die intrinsische Sicherheit der Lithium-Ionen-Batteriezellen auswirken. Weitere Ziele sind eine deutlich beschleunigte Formierung und entsprechende intelligente Prüfmethoden, nach denen die Zelle sicher charakterisiert und freigegeben werden kann.

In der ersten Phase des Projektes wird anhand eines Referenzsystems zunächst ein State-of-the-art-Formierprozess untersucht und somit systematisches Verständnis für eine systematische Optimierung erarbeitet. Dieses Verständnis bildet die Grundlage für die weitere Untersuchung zukunftsorientierter Materialien und die Übertragbarkeit auf neue Prozesse.

Neben der elektrochemischen Charakterisierung und der Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter (elektrisch, thermisch, physikalisch, chemisch) auf die Formierung spielt vor allem die Charakterisierung der Elektrodenoberflächen, speziell der Zersetzungsschichten SEI (Solid Electrolyte Interphase) und CDL (Cathode Deposition Layer), eine wichtige Rolle. Im Rahmen dieses Projektes werden speziell die Methoden (Sputter-Depth-Profiling) XPS und die Ramanspektroskopie angepasst und weiterentwickelt, um ein genaueres Bild über die Zusammensetzung der Grenzschichten und den Einfluss der verschiedenen, auch chemischen Parameter auf die Grenzschichten und damit auch auf die Zelleigenschaften zu erhalten.

Neben den elektrischen Parametern, der Temperatur, der Zeit und des Drucks, stellt die Untersuchung von filmbildenden Additiven und deren Einfluss auf den Formierprozess, die Grenzflächen und Zelleigenschaften (Performance, Lebensdauer und Sicherheit) einen weiteres wichtiges Ziel des MEET dar. Hierbei werden sowohl kommerziell erhältliche Substanzen auf ihre Eignung als filmbildende Additive untersucht als auch neuartige Additive. Eine Validierung der Ergebnisse findet an großformatigen Zellen statt. Hier werden sowohl Post-mortem-Analysen als auch Sicherheitstests durchgeführt.

Das MEET Batterieforschungszentrum ist intensiv an der Forschung und Entwicklung von Lithium-Batterien beteiligt. Zur Steigerung der Akzeptanz von rein elektrischen Fahrzeugen (BEV) muss zum einen die Reichweite erhöht werden, was mit einer Erhöhung der Energiedichte einhergeht, zum anderen muss die Technik sicher sowie auf dem Markt konkurrenzfähig sein. Die Forschung zur Senkung der Produktionskosten durch eine effiziente Formierung sowie die Erhöhung der Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien stellt einen wichtigen Aspekt dar und hat, ebenso wie die Entwicklung von Prüfmethoden und den Aufbau von Testkapazitäten am Standort Münster strategische Bedeutung. Zukünftige Materialentwicklungen müssen sowohl in Labortestzellen, als auch in Formaten mit Relevanz für die automobile Anwendung auf ihre Leistungsfähigkeit und Sicherheit untersucht werden.