Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen kann durch den Wegfall der brennbaren Elektrolyt-flüssigkeit in Festkörperbatterien potenziell erheblich verbessert werden. Eine dichte Festelektrolytschicht ermöglicht den Einsatz von Lithium-Metall als Anode, um die Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Zellen um bis zu 70 % zu steigern. Trotz vielversprechender Ergebnisse im Labormaßstab gibt es aktuell nur wenige veröffentlichte Arbeiten zur Hochskalierung. Insbesondere Zell-, Stapel- und Gehäusedesign von großformatigen Festkörperbatterien sind aktuell noch unklar. Für die Produktionstechnik ergeben sich daraus bei der Verarbeitung der neuen Zellmaterialien große Herausforderungen: Dies umfasst u. a. die erzielbaren Schichtdicken für konkurrenzfähige Energie- und Leistungsdichten und die Verarbeitung von adhäsivem und reaktivem Lithium-Metall, sowie gezielte Oberflächenmodifikation und Herstellung geeigneter Schutzschichten zur Unterbindung von unerwünschten Nebenreaktionen. Die Verwendung keramischer Materialien erfordert neuartige Produktionsverfahren. Viele Festelektrolyte sind sehr empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und müssen teils bei hohen Temperaturen gesintert werden.

Ziel des Projekts ProFeLi ist deshalb eine umfassende produktionstechnische Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette für die Herstellung von Festkörperbatterien. Dabei sollen anodenseitig die Herstellung und Verarbeitung von dünnen Lithium-Metall-Schichten und Schutzschichten erforscht werden, wohingegen für Kathoden und Festelektrolyte die Untersuchung von Mehrschichtsystemen im Vorder-grund steht. Hierbei soll insbesondere untersucht werden, welche Atmosphäre (Trockenheit, Schutzgas) für die Verarbeitung der neuartigen Materialien notwendig ist. Des Weiteren sollen Stapel- und Gehäusekonzepte für Festkörperbatterien entwickelt werden, wobei die Volumenausdehnung der Aktivmaterialien während des Lade- und Entladevorgangs eine große Rolle spielt und simulationsgestützt berücksichtigt werden soll. Um ein bipolares Zellstapeldesign zu ermöglichen, werden geeignete Stromableiterfolien entwickelt, die sowohl gegenüber dem Anoden- als auch dem Kathodenpotential stabil sind. Finales Ziel des Projektes ist der Aufbau eines Funktionsdemonstrators zur Herstellung von Festkörperbatterien.

Im Rahmen des Projekts werden drei maßgebliche Teilbereiche adressiert. Die Betrachtung und Bewertung geeigneter Prozesskonzepte zur Herstellung von Festkörperbatterien befasst sich mit der Identifizierung und Gegenüberstellung von Fertigungsverfahren, Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit geeigneter Zellmaterialien (Li-Metall-Anoden, Festelektrolyte und Mehrschichtsysteme) und der Fertigung von Zellkomponenten auf Labormaßstab. Ein weiterer wichtiger Aspekt im Projekt ProFeLi ist die Definition eines geeigneten Zelldesigns. Hier gilt es, die Volumenänderungen auf Komponenten- und Zellebene sowie die auftretenden Mechanismen an Grenzflächen simulativ abzubilden, um auf dieser Basis innovative Stapelkonzepte zu entwickeln. Weiterhin werden im Projekt für das gewählte Zelldesign geeignete Stromableiterfolien und Gehäusekonzepte, sowie Schutzschichten für Lithium-Metall entwickelt. Der dritte große Teilbereich des Projekts befasst sich mit der Fertigung von Festkörperbatterien, wobei geeignete Herstellprozesse im Labormaßstab erprobt und anschließend hochskaliert werden sollen. Um die Durchführung von Verarbeitungsstudien für die Herstellung und Verarbeitung dünner Lithium-Metall-Folien, Stromableiterfolien, Schutzschichten und Mehrschichtsystemen zu ermöglichen, wird die notwendige Anlagentechnik zur Zellassemblierung entwickelt und prototypisch realisiert. Darauf aufbauend wird der Produktionsprozess für großformatige Festkörperbatterien abhängig von den favorisierten Prozessrouten entwickelt. Als finales Projektergebnis sollen großformatige Festkörperbatterien auf den entwickelten Demonstratoranlagen hergestellt, deren elektrochemische Performance charakterisiert und die Zellen anhand automobiler Anforderungen getestet werden. Die Durchführung einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbewertung ermöglicht eine Abschätzung der zu erwartenden Produktkosten und schafft somit eine monetäre Vergleichsbasis in Hinblick auf konventionelle Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyten.

Trotz der existierenden Herausforderungen hinsichtlich Performance und Kosten besitzen Festkörperbatterien ein großes Potential, konventionelle Lithium-Ionen-Batterien durch verbesserte Sicherheit und höhere Energiedichte abzulösen. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität ist ein Einsatz wünschens-wert, wobei auch Consumer- und stationäre Energiespeicheranwendungen sowie Nischenmärkte denkbar sind. Neben der höheren Energiedichte und Sicherheit der Festkörperbatterien kann auf energie- und kos-tenintensive Prozesse, wie die Formierung, vollständig verzichtet werden. Dies führt zu einer weite-ren Kostensenkung bei der Herstellung von Lihium-Ionen-Zellen und damit einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit. Damit die deutsche Industrie in diesem zukunftsträchtigen und aussichtreichen Markt konkurrenzfä-hig aufgestellt ist, besitzt das Forschungsprojekt ProFeLi und die darin angestrebten Ergebnisse eine besondere Wichtigkeit.

Die im Projekt entwickelten Gehäusekonzepte für Festkörperbatterien können für den Einsatz in Batteriemodulen mit verbesserter Sicherheit erweitert werden. Mit der Durchführung des Vorhabens und bei Zielerreichung kann die geeignete Anlagentechnik zur Verarbeitung von metallischem Lithium sowie von Festelektrolyten mit hoher Markreife bereitgestellt werden. Im Konsortium wird zudem die Industrialisierung einer Festkörperbatterien angestrebt, die automotiven Anforderungen hinsichtlich Reichweite, Sicherheit, Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Kosten gerecht wird. Im Strukturwandel der Automobilindus¬trie hin zur Elektromobilität stellt die Festkörperbatterien einen beachtlichen Meilenstein dar. Die erarbeiteten Ergebnisse werden darüber hinaus in umfangreicher Form in die universitäre Lehre einfließen und durch Veröffentlichungen, z. B. in wissenschaftlichen Zeitschriften, auf Konferenzen, Messen und über Pressemitteilungen verbreitet werden.