Hierarchische Strukturierung hochkapazitiver Elektroden

Die Forschung an Lithium-Ionen-Batterien ist ein entscheidender Schritt für die Elektromobilität und für eine emissionsarme Zukunft. Eine besondere Herausforderung besteht in der Herstellung kostengünstiger und effizienter Batteriezellen. Eine erfolgreichere Umsetzung in der industriellen Anwendung wird durch eine höhere Energiedichte bei einem modifizierten Herstellungsprozess für die Lithium-Ionen-Zellen erwartet. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Energiedichte sind ultra-dicke hochkapazitive Elektroden. Dabei ist die Erarbeitung eines umfangreichen Verständnisses für Batterie-Strukturierungskonzepte ein wichtiger Schritt.

Das Projekt HiStructures adressiert zu klärende Fragestellungen, die den Einsatz von ultra-dicken Elektroden behindern. Ein Nachteil von ultra-dick beschichteten Hochenergieelektroden ist die geringe mechanische Qualität und Strombelastbarkeit. Projektziel ist die signifikante Steigerung der Energiedichte durch ultra-dicke beidseitig beschichtete Elektroden und die Behebung damit korrelierender Leistungseinbrüche. Dies soll durch angepasste Prozesse und maßgeschneiderte Strukturierung der Elektroden erreicht werden. Gleichzeitig sollen Material- und Herstellungskosten eingespart sowie ein nachhaltiges Herstellungskonzept erarbeitet werden.

Diesbezüglich erforscht innerhalb des Projekts das ZSW die Herstellung und Strukturierung der Kathode. Die TU Braunschweig erarbeitet das Konzept für die Herstellung und Strukturierung der Anoden. Beschichtungs- und Trocknungsanalysen werden am KIT und an der TU Braunschweig durchgeführt. Die Erforschung der simultan beidseitigen Beschichtung zur Herstellung der Elektroden erfolgt am KIT. Am ZSW wird schließlich ein Vollzellenkonzept aus ultra-dicken Kathoden und Anoden erforscht. Parallel zu den experimentellen Arbeiten werden stochastische 3D-Strukturmodelle von der Universität Ulm, strukturaufgelöste elektrochemische Simulationen vom DLR sowie Modellierungen und Optimierungen mittels homogenisierter Strukturmodelle von der TU Braunschweig erarbeitet.

Das Vorhaben unterstützt durch innovative, nachhaltige Produktionskonzepte eine Technologie-führerschaft einer großskaligen Batterieproduktion in Deutschland. Diese soll dazu beitragen, die Kompetenzen für LIB und die Stärkung der industriellen Wettbewerbsfähigkeit in Deutschland weiter auszubauen.