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 Mechanismus 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 reduzieren. Zudem sollen stabile SEI-Schichten aufgebaut werden, die positiv für die Lebensdauer sind.

Ein weiteres Ziel ist eine deutlich beschleunigte Formierung und entsprechende intelligente Prüfmethoden, nach denen die Zelle sicher charakterisiert und freigegeben werden kann. Dies führt auch zu einer vereinfachten Montage der Batterie, da diese beim Anwender geladen werden kann, was zu einer weiteren Kostendegression führen kann (Wegfall von hohen Investitionskosten für Formierungs- bzw. Lade-Stationen).

Neben der Kostensenkung der Formierung sollen die Ergebnisse der Untersuchungen zur SEI-Bildung auch Grundlage für eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer und Erhöhung der intrinsischen Sicherheit der Lithium-Ionen-Batteriezellen sein.

Diese Ziele sollen mit State-of-the-art-Materialien (Graphit, NCM) erreicht werden. Es ist zu einem späteren Zeitpunkt zu untersuchen, inwieweit die Ergebnisse prinzipiell auf „advanced“ Materialien (z. B. Si/C Komposite) übertragbar sind. Mit diesen Zielstellungen soll für die deutsche Industrie im internationalen Wettbewerb ein deutlicher Kosten- und Qualitätsvorteil und Wissensvorsprung erreicht werden.

In der ersten Phase des Projektes werden die grundlegenden Material- und Prozessparameter definiert, die für die Herstellung der Testzellen verwendet werden sollen. Ausgehend von diesen Testzellen soll der Einfluss von Material- und Prozessparametern auf die Bildung der Grenzschichten an Anode und Kathode bzw. den Aktivmaterialien untersucht werden, um die Modellierung von Formierungsparametern für die Modellzelle abzuleiten. Als Testzellen werden Lithium-Ionen-Knopfzellen (CoinPower) von der VARTA Microbatteriy GmbH gewählt, da diese aus einer standardisierten Massenproduktion kommen und reproduzierbar sind. Anhand dieser Zellen wird eine ausführliche, in dieser Form vielleicht noch nicht umgesetzte „Riesen-Formierungsmatrix“ vorgenommen und ausgewertet.

In einem weiteren Arbeitspaket werden zusätzlich weiterführende Untersuchungen zur Zellalterung und Zellsicherheit durchgeführt und diese in Zusammenhang mit den Formierungsparametern gestellt. In dieser Phase werden auch weitere wichtige Prozessparameter in der Wertschöpfungskette getestet, um eine effiziente Verknüpfung beim Zellhersteller zwischen Befüllung der Zelle mit Elektrolyt, ein mögliches Vorladen der Zelle und der anschließenden Formierung zu ermöglichen. Die Ergebnisse aus diesen Tests sollen übertragen bzw. skaliert werden, um auf größeren Zellen die Einflüsse des entwickelten Formierungsprozesses zu prüfen. In einem abschließenden Arbeitspaket sollen die gewonnenen Erkenntnisse von den angewandten Projektpartnern im industriellen Ablauf eingebunden und getestet werden, um auf dieser Grundlage eine großtechnische und ökonomische Bewertung durchzuführen.

Für einen raschen Ausbau der wissenschaftlichen Kompetenzen für rein elektrische Fahrzeuge (BEV) in Deutschland ist eine Kooperation gerade zwischen Automobilherstellern, Lithium-Ionen-Zellherstellern, Zulieferern und den Instituten/Hochschulen dringend erforderlich. Durch Nutzung dieser verschiedenen Blickwinkel und Kenntnisse entstehen innovative und marktgängige Lösungen. Außerdem wird durch die enge Zusammenarbeit frühzeitig gemeinsames Know-how generiert.

Unter Berücksichtigung der fundierten Erfahrungen der Projektpartner sind die Erfolgsaussichten des Gesamtvorhabens gut. An den beteiligten Forschungseinrichtungen gibt es langjährige Erfahrungen sowohl in der Entwicklung von Aktivmaterialien, Elektrolytkomponenten und -formulierungen als auch in der Befundung und Post-mortem-Untersuchung von und an Lithium-Ionen-Batteriezellen. Es wird in jedem Fall damit gerechnet, dass neue Ergebnisse auch zu wesentlichen Erkenntnisfortschritten führen werden, die – nach Prüfung auf Schutzrechtsanmeldung – in wissenschaftlichen Publikationen zugänglich gemacht werden.

Großformatige Lithium-Ionen-Zellen adressieren zwei große Zukunftsmärkte: Elektromobilität und Speicherung der regenerativen Energien. Führende Beratungs- und Marktforschungsinstitute (Pike Research, BCG, McKinsey, Roland Berger) gehen in den nächsten Jahren von einem starken Wachstum beider Bereiche aus. Geschwindigkeit und Erfolg bei der F&E und der Produktion der Lithium-Ionen-Zellen hat eine entsprechende Ausstrahlung auf diese Märkte und kann somit die Entwicklung wesentlich, sowohl positiv als auch negativ, beeinflussen.

Da der Anteil der regenerativen Energien künftig immer weiter zunehmen wird, wird sich die Herausforderung der Speicherung weiter zuspitzen. Einhergehend mit der zukünftigen Einführung der „Smart Grids“ im Stromnetz werden sich dezentrale Speichereinheiten stärker durchsetzen, um den weiter steigenden Anteil regenerativer Energien effektiv bewerkstelligen zu können. Aus diesem Grund müssen Technologien entwickelt werden, die diese Probleme wirtschaftlich und vor allem ökologisch lösen können. Die produzierten Zellen können für solche Systeme enorme Wettbewerbsvorteile ermöglichen und somit zur Wettbewerbsfähigkeit des Standortes führen.