3D-Strukturierung von Solid-state-Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

Die Umstellung der Energieversorgung von fossilen auf regenerative Energiequellen stellt viele Bereiche vor neue Herausforderungen. Insbesondere im Transport- und Mobilitätssektor sind die hohen Energiedichten der konventionellen Treibstoffe bisher unerreicht. Eine aussichtsreiche Alternative stellen derzeit Batterien basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie dar.

Festkörperbatterien stellen dabei eine der vielversprechendsten Technologien neuartiger Batteriegenerationen dar. Bei ihnen wird der flüssige Elektrolyt der konventionellen Lithium-Ionen-Batterie durch einen Feststoffelektrolyten ersetzt. Neben sicherheitsrelevanten Vorteilen werden so eine lösungsmittelfreie Produktion, deutlich gesteigerte Lade- und Entladegeschwindigkeiten sowie höhere theoretische Energie- und Leistungsdichten der Batteriezellen durch den Einsatz reiner Lithium-Metall-Anoden ermöglicht.

In den letzten Jahren wurde viel Forschungsarbeit in die Entwicklung neuer Feststoffelektrolyte investiert, um deren ionische Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität zu erhöhen. Neben der Materialentwicklung stellt aber auch die gezielte Strukturierung von Elektroden eine Möglichkeit dar, um elektrische und ionische Transportlimitierungen zu minimieren.

Ziel des Projekts „3D-SSB“ ist daher die Steigerung der Leistungs- und Energiedichte von Solid-State-Batterien (SSB) durch die gezielte Strukturierung von hochkapazitiven Kathoden in Kombination mit innovativen Passivierungsschichten auf Li-Metall-Anoden. Darüber hinaus soll eine Prozesskette für die skalierbare Herstellung entsprechender 3D-strukturierter bzw. passivierter Elektroden erarbeitet werden, um die technische Umsetzung für eine industrielle Zellproduktion zu evaluieren.

Für die Herstellung der 3D-strukturierten Komposit-Kathoden werden innerhalb des Projekts Verfahren zur gezielten Einstellung physikalischer und elektrochemischer Eigenschaften von Bausteinen entwickelt (AP1). Die Bausteine bestehen dabei zu unterschiedlichen Anteilen aus dem Aktivmaterial, dem Leitadditiv, dem Festkörperelektrolyten sowie ggf. einem Binder. Auf Grundlage dieses Strukturbaukastens werden innovative additive und subtraktive Verfahren zur gezielten Herstellung von zwei- und dreidimensional strukturierten Solid-State Kathoden evaluiert (AP 2 & 3).

Parallel dazu werden Struktursimulationen mittels DEM und FEM durchgeführt, um geeignete hierarchische und gradierte Strukturen zu identifizieren, die zu einer Erhöhung der Leistungsdichte der Elektrode führen, ohne dabei die mechanische Stabilität zu stark zu beeinträchtigen (AP 4).

Für die Steigerung der Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entscheidend ist die Verwendung von Li-Metall-Anoden. Um ihren Einsatz zu ermöglichen, werden innovative Passivierungsschichten entwickelt (AP 5). In Kombination mit Bindermodifikationen und Verfahren zur Herstellung dünner Separatorschichten (AP 5) werden die 3D-strukturierten Solid-State Kathoden zu hochkapazitiven SSB-Zellen weiterverarbeitet (AP 6 & 7), die eine Steigerung der Leistungsdichte gegenüber Zellen mit unstrukturierten Kathoden aufweisen. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk auf den Grenzflächen innerhalb der Kathode sowie zwischen den unterschiedlichen Zell-Komponenten (AP 6).

Zur Identifizierung einer geeigneten Prozesskette für die großtechnische Herstellung von 3D-strukturierten SSB und Passivierungsschichten für Li-Metall-Anoden wird ein Bewertungskatalog entwickelt (AP 8). Mit dessen Hilfe werden die entwickelten und eingesetzten Einzelprozesse hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit für eine industrielle Produktion bewertet.

Die Realisierung von Festkörperbatterien bietet für die Lithium-Ionen-Technologie ein großes Potential hinsichtlich Sicherheitsaspekten und höheren Energie- sowie Leistungsdichten, wovon insbesondere die Automotive-Applikationen profitieren würden. Für die Etablierung dieser Batterien stellt die Reduzierung von Transportlimitierungen in Kompositkathoden für Hochenergie-Batteriezellen sowie der Einsatz von Lithium-Metall-Anoden eine wesentliche Herausforderung dar. Darüber hinaus müssen Grenzflächenwiderstände zwischen den Materialien minimiert werden.

Durch die ganzheitliche Projektausrichtung von der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis zu den jeweilig zugeschnittenen Prozessschritten ergeben sich aus den entsprechenden Teilaspekten hohe Potenziale sowohl für die wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. Die Entwicklung von skalierbaren Verfahren für 3D-strukturierte Solid-State Kathoden mit hohen C-Raten (Schnellladefähigkeit) bei hoher Energiedichte ermöglicht einen Technologievorsprung gegenüber klassischen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Die gleichzeitige Entwicklung von verbesserten und in möglichst geringen Anteilen vorliegenden Inaktivmaterialien sowie von Passivierungsschichten für Lithium-Metall-Anoden ist für die Realisierung von Festkörperbatterien mit erhöhten Energiedichten entscheidend. Darüber hinaus ermöglichen die simulationsgestützten Struktur-Eigenschafts-Modellierungen ein tiefgreifendes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen der Elektrodenstruktur und den daraus resultierenden elektrischen und ionischen Leitfähigkeiten, die für eine hohe Leistungs- und damit verbundene Schnellladefähigkeit der Batteriezelle essentiell sind.

Weiterhin sind alle in dem Projekt berücksichtigten Elektrodenherstellungs- und Elektrodenstrukturierungsprozesse lösungsmittelfrei und weisen kurzfristig ein erhebliches Potenzial zur Kostenreduktion für eine Zellproduktion auf (verringerte Investitions- und Energiekosten). Darüber hinaus bietet die wirtschaftliche und technologische Bewertung der untersuchten Strukturierungsmöglichkeiten die Chance, kurzfristig deren industrielle Einsetzbarkeit in einer Zellfertigung fundiert zu bewerten und die geeigneten Prozesse auch für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterietechnologien zu nutzen.