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

Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist es, die Wechselwirkung zwischen Material- und Elektrodenfertigungsparametern und einer optimalen Formierstrategie zu untersuchen. Im Ergebnis sollen geeignete Prozessparameter zur Effizienzsteigerung des Formierprozesses identifiziert werden. Ausgegangen wird dabei von State-of-the-art-Materialien und Prozessen, für die die Aufklärung dieser Zusammenhänge von entscheidender Bedeutung für das systematische Verständnis und eine zielgerichtete Optimierung des Formierprozesses ist.

Ausgehend von diesem Verständnis werden die erarbeiteten Ergebnisse als Grundlage für die Untersuchung zukunftsorientierter Materialien und Prozesse verwendet. Im Fokus stehen hierbei insbesondere Elektroden, die sich an den Anforderungen an Lithium-Ionen-Zellen hinsichtlich hoher Energiedichte (u. a. extrem dicke und hoch verdichtete Elektroden) sowie umweltfreundlicher Verfahren (u. a. wasserbasierte Elektrodenfertigung) orientieren. Ziel ist hierbei, Lösungsansätze für verbesserte Formierstrategien unter Verwendung zukunftsorientierter Prozesse zu erarbeiten.

Um dieses Projektziel zu erreichen, wird im Teilprojekt eine elektrische, in-line-fähige Untersuchungsmethodik zur Charakterisierung der sich bildenden SEI bzw. CDL entwickelt, um die Auswirkungen der sich bildenden Schichten auf die Zelleigenschaften im Kontext der Fertigungs- sowie Formierungsparameter zu bewerten. Darauf aufbauend wird der Einfluss unterschiedlicher Fertigungs- und Formierungsparameter auf die Performance und Alterung der Zellen charakterisiert. Dazu zählt vor allem auch der vorgelagerte Befüllvorgang, der die Schnittstelle hin zur Formierung bildet und erheblich zeitaufwändig ist. Im Ergebnis soll ein Modell zur Beschreibung des Einflusses der Fertigungs- und Formierungsparameter entstehen, das mit parallel laufenden Untersuchungen an kommerziellen Zellen verglichen und mit Untersuchungen an großen Zellen validiert wird.

Folgende Arbeitsschwerpunkte bzw. Teilziele sind konkret zu nennen:

• Identifikation von Zusammenhängen zwischen Materialparametern der Aktivmaterialien und der Elektrodenfertigungsparameter einerseits und Parametern des Formierprozesses andererseits

• Entwicklung einer elektrischen, in-line-fähigen und zerstörungsfreien Messmethodik zur Untersuchung der Formierung

• Identifikation von Kriterien, die die Formierbereitschaft einer Zelle beschreiben

• Herstellung von Elektroden mit zukunftsorientierten Prozessen und Untersuchung des Einflusses auf den Formierprozess

Neben dem grundlegenden Erkenntnisgewinn für die Batterieentwicklung werden mit den konkreten chemischen und physikalischen Ergebnissen innovative Konzepte für den Formierungsprozess von Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB) sowie Elektrodenmaterialien und -komponenten erwartet.

Mittelfristig sollen Prozesse und Materialien entwickelt werden, die die Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen kostengünstiger und effizienter gestalten sowie einen positiven Beitrag zur passiven Sicherheit der LIB-Technologie leisten. Die hierbei erlangten Erkenntnisse sollen darüber hinaus direkt in die Ausbildung des akademischen und technischen Nachwuchses durch Vorlesungen, Seminare und praktische Arbeiten im Labor einfließen.

Langfristig soll Einfluss auf die Entwicklung von Zellkomponenten und Herstellungsprozessen genommen werden, die das Formierungsverhalten positiv beeinflussen. Auch hierbei ist ein zentrales Ziel, zur Kostensenkung von Energiespeichern beizutragen.