Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden – Konfektionierung, Handhabung und Kontaktierung

Zukünftige Lithium-Ionen-Batterien setzen kathodenseitig auf eine Anpassung der Metalloxidanteile, gänzlich neue und leichtere Materialien wie z. B. Sauerstoff sowie auf einen Auftrag des Elektrolyten als feste Schicht. Als Konsequenz werden anodenseitig Strukturen benötigt, die zu einem beschleunigten Interkalationsvorgang und zur Einlagerung einer größeren Anzahl von Ionen fähig sind. Alternativ zu einer begrenzten Verbesserung der bestehenden Graphitbeschichtung wird deshalb die Verwendung einer reinen Lithium-Metall-Anode seit einigen Jahren favorisiert. Lithium bietet als originäres Element der Lithium-Ionen-Batterie die Möglichkeit einer nahezu ungehinderten Einlagerung und Abgabe von Lithium-Ionen bei gleichzeitig hoher spezifischer Kapazität. Im Ergebnis ist eine starke Reduzierung der erforderlichen Dicke der Anoden möglich, die in Kombination mit der vergleichsweise sehr geringen Dichte von Lithium zu einem wesentlichen Anstieg der spezifischen Energiedichte führt.

Den genannten Vorteilen von Lithium-Metall-Anoden stehen jedoch mechanische und chemische Materialeigenschaften des Lithiums gegenüber, die sowohl für die produktseitige Integration der Lithium-Metall-Anoden als auch für den Fertigungsprozess der Batteriezelle besondere Herausforderungen bedeuten. Durch die Kombination aus geringer mechanischer Festigkeit, den geforderten niedrigen Foliendicken <50µm und einer Neigung zur Adhäsion an Werkzeugoberflächen, sind die bei der Handhabung und Verarbeitung ertragbaren Lasten sehr gering. Entstehende Oberflächendefekte, wie z. B. Risse, verursachen eine erhöhte Ladungsträgerdichte, die Ursprung eines zellschädlichen Dendritenwachstums ist. Eine Kontamination des Werkzeugs und der Elektrodenoberfläche mit den gelösten Partikeln, die z. B. aus dem Schneiden oder auch dem Verschleiß von Handhabungssystemen resultieren können, beeinträchtigt ebenfalls die Zyklenstabilität und Kapazität der gefertigten Zellen maßgebend. Eine weitere Kontaminationsart auf der Anodenoberfläche entsteht durch chemische Reaktionen des Lithiums mit den Elementen der umgebenden Prozessatmosphäre. Die sich ausbildenden Schichten sind inhomogen in Schichtdicke und –topographie und weisen vom Lithium-Metall abweichende Materialeigenschaften auf, die die Verarbeitungsprozesse maßgeblich beeinflussen.

Aus den genannten Gründen ist eine industrielle Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden bislang nicht entwickelt. Im Rahmen von ProLiMA werden für die einzelnen Verarbeitungsprozesse der Lithium-Metall-Anoden verschiedene Verfahren und Parametersätze hinsichtlich der erreichbaren Produktqualität (Elektrode und Vollzelle) evaluiert und zu einem materialgerechten Zellbaukonzept zusammengeführt.

Das Projekt ProLiMA ist inhaltlich in drei aufeinander aufbauende Schwerpunkte gegliedert. Zu Beginn werden material- und prozesstechnische Anforderungen aus industriellen Zielwerten und dem etablierten Zellbau konventioneller Lithium-Ionen-Batterien zusammengetragen und hinsichtlich der Übertragbarkeit auf die zu verwendenden Lithium-Metall-Anoden überprüft. In Kombination mit einer umfangreichen mechanischen Charakterisierung der Lithium-Metallfolien wird eine Ausgangsbasis zur Entwicklung der Produktionsprozesse geschaffen. Die Entwicklung der Produktionsprozesse ist der zweite Projektschwerpunkt und gliedert sich in die Teilprozesse der Konfektionierung, der Handhabung in der Stapelbildung und der Kontaktierung auf. Zusätzlich zu den einzelnen Teilprozessen wird übergreifend der Einfluss der umgebenden Prozessatmosphäre auf die verarbeiteten Zwischenprodukte und die Prozesse selbst analysiert. Zur Quantifizierung der verschiedenen Prozess- und Umgebungseinflüsse wird eine Methode zur elektrochemischen Charakterisierung von Halb- und Vollzellen mit Lithium-Metall-Anoden entwickelt und eingesetzt. Aus der Zusammenstellung der ermittelten Prozess-Produkt-Wirkbeziehungen entsteht im dritten Schwerpunkt des Projekts ein materialangepasstes Zellbaukonzept, das neben der effizienten Prozessierung in verknüpften Prozessen insbesondere die Skalierung zur industriellen Produktion in den Vordergrund stellt.

Die Verwendung von Lithium-Metall-Anoden verspricht große Potenziale in der Batterietechnologie und ist weitestgehend unabhängig von spezifischen Kathoden- oder Elektrolytmaterialien. Jedoch ist aufgrund der herausfordernden Materialeigenschaften die Entwicklung materialgerechter Verarbeitungsprozesse von erheblicher Bedeutung. Insbesondere in der Konfektionierung, Handhabung zur Stapelbildung und der Kontaktierung müssen die Prozesse und die Prozesstechnik an das neue Material angepasst werden, um eine beschädigungsfreie und kontaminationsarme Verarbeitung der Lithium-Metall-Anoden in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien sicherzustellen. Das Projekt ProLiMA erarbeitetet diese Prozesse, die erforderliche Prozesstechnik sowie die Integration in eine materialgerechte Prozessatmosphäre. Abschließend werden die Prozesse zu einem ganzheitlichen Zellbaukonzept verknüpft, das die Skalierung zu einer effizienten industriellen Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden aufzeigt.