Nanostrukturierte Batteriematerialien

Unter Koordination der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster arbeiten im Rahmen von NanoBat Forscher verschiedener Disziplinen an der Optimierung von Aktivmaterialien (Anode/Kathode), die in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, mittels nanostrukturierter Beschichtungen. Neben dem MEET und dem Institut für Materialphysik der WWU sind das Forschungszentrum Jülich (FZJ) sowie die Industriepartner Aixtron SE und BatterieIngenieure GmbH (BIG) an diesem Projekt beteiligt.

Lithium-Ionen-Batterien spielen eine entscheidende Rolle im Bereich der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung. Gegen ihren flächendeckenden und rentablen Einsatz sprechen jedoch ihre derzeit noch zu geringe Energiedichte, Effizienz und Lebensdauer. In diesem Projekt sollen daher Komponenten und Fertigungsprozesse zur Herstellung verbesserter Batterien entwickelt werden. Konkret geht es um die Etablierung von Techniken zur Herstellung hochstabiler funktionaler und gleichzeitig ultradünner Beschichtungen von Anoden- und Kathodenmaterialien, die ihrerseits die Oberflächeneigenschaften der Aktivmaterialien optimieren und deren elektrochemische Eigenschaften entscheidend verbessern. Besondere Ziele sind neben der Steigerung der Lebensdauer beispielsweise die Realisierung hoher Lade-/Entladeraten und die Optimierung von Alterungs- und Sicherheitseigenschaften.

Als Forschungseinrichtungen befassen sich die WWU und das FZJ mit der Herstellung von Beschichtungen mittels Sputterdeposition und Sol-Gel-Prozessen. Mit dem Institut für Materialphysik gehören Spezialisten der höchstauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie zum Konsortium, deren Hauptaufgabe die Charakterisierung der Beschichtungen und Grenzflächen auf (sub-)atomarer Skala ist. Basierend auf den teils noch zu etablierenden Techniken im Labormaßstab und der engen Kooperation mit den Industriepartnern sollen explizit großtechnische Verfahren entwickelt werden, die eine wirtschaftliche Abscheidung der Coatings im industriellen Maßstab ermöglichen (Fokus: CVD, also Gasphasenabscheidung). Nach erfolgreicher Demonstration der Funktionalität der beschichteten Aktivmaterialien und auf Basis wirtschaftlicher Kalkulationen soll schließlich eine gezielte Markteinführung der neuartigen Materialien bzw. Beschichtungsprozesse vorangetrieben werden.

Zu Projektbeginn steht zunächst die Identifizierung geeigneter Aktivmaterialien (Anode/Kathode) im Vordergrund, die im Projektverlauf mit verschiedenen Coatings versehen werden sollen. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Fokus auf der Optimierung bereits kommerziell eingesetzter Materialien liegt und nicht etwa die Synthese neuartiger Substanzen verfolgt wird.

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie und zur grundlegenden Probencharakterisierung werden zunächst planare Modellsysteme aus Aktivmaterial und Beschichtung hergestellt, etwa mittels Sputterdeposition (MEET, FZJ). Im weiteren Verlauf sollen neuartige Coatings entwickelt und optimiert werden. Ferner werden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die ausgewählten Materialien als homogene Dünnschichten abzuscheiden und eine Übertragbarkeit auf industrielle Maßstäbe zulassen. Mittels Sputterdeposition und Sol-Gel-Verfahren (FZJ) werden grundlegende Prozessparameter definiert, die im Projektverlauf in die Planung großtechnischer Prozesse (CVD-Gasphasenabscheidung, AIXTRON) einfließen. Nach der Identifizierung besonders geeigneter Materialien werden schließlich unter Zuhilfenahme weitreichender technischer Erweiterungen der Laborausstattungen (Sputteranlage, CVD-Wirbelstromreaktor) praktische Verfahren zur Bereitstellung technisch relevanter Mengen beschichteter Aktivmaterialien vorgestellt.

Projektbegleitend werden Modellelektroden und beschichtete Pulver eingehend charakterisiert, wobei neben umfangreichen elektrochemischen und analytischen Methoden insbesondere strukturaufklärende Untersuchungen (HRTEM, EELS etc.) zum Einsatz kommen. Dank der höchstauflösenden Methoden lassen sich Informationen auf atomarer Skala ableiten und Analysen an Grenzschichten (z. B. zwischen Aktivmaterial und Coating) realisieren. Die hergestellten Materialien werden anschließend unter praxisnahen Bedingungen im Labormaßstab getestet (BIG, MEET). Elektrochemische Tests sollen Auskunft über zyklische und kalendarische Lebensdauern sowie Raten- und Temperaturstabilität der modifizierten Materialien geben.

Zwecks Herstellung eines Praxisbezugs werden die zentralen Ergebnisse des Vorhabens projektbegleitend unter verfahrenstechnischen und betriebswirtschaftlichen Aspekten beleuchtet. Besonderes Ziel ist dabei die Erarbeitung technischer Konzepte, die eine großtechnische Herstellung der beschichteten Aktivmaterialien bei möglichst geringen Kosten erlauben.

Das Konsortium arbeitet an einem Beitrag zur signifikanten Verbesserung derzeit verfügbarer Lithium-Ionen-Batterien mit dem Ziel, wichtige Impulse für einen steigenden Anteil deutscher Unternehmen an der großtechnischen Elektroden- bzw. Zellfertigung zu liefern.

Im Detail ist geplant, die Ergebnisse des Vorhabens sowohl in wissenschaftlicher als auch in wirtschaftlicher Hinsicht zu verwerten. So sollen die Resultate des Vorhabens kurz- und mittelfristig im Rahmen von Patenanmeldungen verwertet werden – mit besonderem Fokus auf der Synthese hochspezialisierter Nanomaterialien bzw. großtechnischer Beschichtungsprozesse von Pulvermaterialien. Die aus dem Vorhaben gewonnen physikalisch-chemischen Erkenntnisse sollen ferner in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen präsentiert werden. Darüber hinaus ist geplant, Informationen und Ergebnisse im Rahmen eines populärwissenschaftlichen Webauftrittes zugänglich zu machen.

Da der Fokus neben der Materialentwicklung auch auf dem Technologietransfer vom Labor- auf den Industriemaßstab (Entwicklung großtechnischer Beschichtungskonzepte) liegt, werden die neu entwickelten Nanomaterialien mittel- und langfristig potenziell Anwendung im Bereich der Elektromobilität sowie der stationären Energiespeicherung finden. Aufgrund seiner Relevanz für diese beiden Schlüsseltechnologien wird das Vorhaben einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Ressourceneffizienz und damit zur Energiewende leisten. So können die Ergebnisse letztlich dazu beitragen, die Umsetzung neuer Mobilitätskonzepte, die Reduktion der Kohelndioxid-Emissionen sowie die Unabhängigkeit von fossilen und atomaren Energieträgern voranzutreiben.

Zur Realisierung dieser Ziele muss im Anschluss an das Vorhaben die Erprobung der neuen Nanomaterialien im Vordergrund stehen. So ist etwa zu klären, ob die Funktionalität der Materialien in Kombination mit weiteren modernen Batteriekomponenten (z. B. Polymerelektrolyte, alternative Binder) noch gesteigert werden kann. Auch die Möglichkeit des Technologietransfers auf alternative Batterietechnologien sollte nach Projektende in zukünftigen Forschungsvorhaben evaluiert werden.