Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

Im Rahmen des Projektes haben sich die Verbundpartner ehrgeizige Ziele für die Entwicklung der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gesetzt. Begleitet von einem Anwender-Industriebeirat werden die Grundlagen für das Design und die Herstellung eines neuen Zellkon-zeptes entwickelt. Dies erschließt leistungsfähige, kostengünstige sowie langlebige Energiespeicher für zukünftige Elektroautomobile sowie stationäre Energiespeicher. Das herkömmliche Zelldesign wird dabei durch die Kombination von drei Konzepten erweitert, die einen Quantensprung im Hinblick auf Kostenreduktion, Batterieperformance und Zellsicherheit ermöglichen werden. Diese drei Konzepte umfassen die Einführung laserstrukturierter Elektroden (3D Batterie-Konzept), den Einsatz fortschrittlicher Hochenergiematerialien (Materialkonzept) und das Einführen hoher Flächenenergiedichten auf Elektroden-Level (Dickschicht-Konzept). Die gleichzeitige Erhöhung der Batterielebensdauer, der Realisierung kurzer Ladezeiten und von hohen Energiedichten durch den kombinierten Ansatz von innovativem Zelldesign (Schichtdicke, Materialien) und 3D Strukturierung sind die zentralen Entwicklungsziele des Vorhabens. Flankiert werden diese Konzepte mit einer auf Sicherheit getrimmten Separator-Entwicklung und einer auf Lebensdauererhöhung abgestimmten Stromableiterstrukturierung. Beides ist unabdingbar mit dem 3D Elektrodenkonzept für Hochenergiematerialien verbunden, um den gestiegenen Anforderungen bei hohen Batterieleistungen Rechnung zu tragen, was sich u.a. durch Verbesserungen in der Temperatur- und Elektroden-Stabilität bemerkbar machen wird.

Im Fokus des Vorhabens steht die 3D Elektrodenentwicklung, da dieses Konzept den maßgeblichen Einfluss auf die Wertschöpfungskette haben wird und zudem hierfür die Entwicklung gänzlich neuer prozesstechnischer Ansätze im Bereich der Lasermaterialbearbeitung erforderlich sind. Das bisher im Labormaßstab demonstrierte 3D Batteriekonzept soll auf großformatige Zellen mit hohem Energieinhalt übertragen werden. Eine Weiterentwicklung der Ultrakurzpuls-Laserstrahlquellen mit hoher Leistung sowie spezialisierter Strahlführungssysteme mit gezielter Formung der Laserenergieverteilung in Multispot-Anordnungen sind hierfür erforderlich. Eine enge Verzahnung der Prozessentwicklung und Systemkomponentenentwicklung für die Laserprozessierungsmethoden, der Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) und der direkten Ultrakurzpulslaserstrukturierung, sind notwendig, um die hohen Anforderungen an Prozessgeschwindigkeit und –sicherheit zu erfüllen.

Für Demonstratorzellen mit 20 Ah Kapazität wird die Hochgeschwindigkeitsprozessierung von Elektroden (nickelreiche NMC Kathoden, Si/C Anoden), Separatoren und Stromableitern mit gesteigertem Material-Durchsatz in Rolle-zu-Rolle Verfahren demonstriert. Damit sollen erstmals Kenndaten der neuen Hochenergie- und Hochleistungs-Batterietypen sowie Prozessdaten zu deren wirtschaftlichen Herstellung ermittelt werden.

3D Batteriekonzepte sollen im Allgemeinen eine Verbesserung der Lithiummobilität und damit der Leistungsfähigkeit der Batterien bewirken. Ein weiterer Effekt, der sich maßgeblich auf die Reduzierung der Kosten sowie Ausfallraten im Verlauf der Zellfertigung auswirkt, ist die durch Laser-prozesse gesteuerte Umwandlung der Elektroden und Separatoren in für flüssige Elektrolyte hochbenetzbare Komponenten. Daher ist das in Elektroden durch Laserstrahlung erzeugte Strukturdesign zu optimieren und prozesstechnisch auf den Hochratedurchsatzprozess zu übertragen.

Neben der Steigerung der Batterieperformance (Lebensdauer, Kapazitätsrückhalt) für Pouch-Zellen, die einen Betrieb bei hohen Energiedichten und gleichzeitig hohen Leistungen ermöglichen soll, wird eine Verkürzung der Elektrolyt-Befüllzeit und -Benetzungsdauer ermöglicht, die eine signifikante Reduzierung der gesamten Produktionszeit erlaubt. Bei den meisten Elektrolytsystemen ist der Befüllprozess von Zellen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Daher hat eine Reduktion der Befüllzeit einen direkten Einfluss auf die Fertigungskosten. Durch die gezielte Verbesserung der Elektrolytbenetzbarkeit von Elektroden und Separatoren könnten die Auslagerungszeiten und Formierzeiten frisch befüllter Li-Ionen Zellen maßgeblich reduziert werden. Bei minimalen Auslagerungszeiten, die entweder komplett vermieden oder nur im Stundenbereich liegen, ergeben sich daher enorme Kostenvorteile. Zusätzliche Kostenreduzierungen können bei reduzierten Ausschussraten und erhöhter Lebensdauer entsprechend befüllter Zellen erreicht werden.

Die im Hinblick auf die Aufskalierung des 3D Elektrodenkonzepts auf große Elektrodenflächen mit Aktivmaterialien hoher Energiedichte und dicker Kathodenschichten neu zu entwickelnden Prozesstechnik-Komponenten wie z.B. Laserstrahlquellen, Optiken und Scanner werden in das Portfolio der beteiligten Firmen aufgenommen und somit für Batteriehersteller und Materialentwickler verfügbar gemacht. Hierbei stellt der Anwender-Industriebeirat sicher, dass ein direkter Marktzugang zum Zellherstellermarkt und zum Markt für automobile Anwendungen gegeben ist. Für die Zellherstellung werden Anlagenkonzepte angeboten die kompatibel sein werden für eine weitere Aufskalierung für Zellen mit Kapazitäten deutlich oberhalb von 20 Ah.

Die erfolgreiche Durchführung des Projektes wird ein weiterer wichtiger Schritt sein in Richtung einer preiswerten, ökologischen und verfügbaren Elektromobilität am Standort Deutschland. Vorhandene bzw. neue Batteriefertigungslinien könnten durch die verbesserten Methoden und neue Erkenntnisse zur Zellchemie mit bereits bekannter Produktionstechnologie unter Hinzunahme der neuen Schritte sehr einfach modifiziert bzw. realisiert werden.