Innovative Festkörperbatterien auf Basis von Sol-Gel-Materialien mit Lithium-Metallanode und implementierter 3D-Strukturierung

Das Ziel dieses Vorhabens liegt in der Erforschung einer Festkörperbatterie auf Basis kostengünstiger Herstellungsverfahren, welche durchgehend auf industrielle Maßstäbe skalierbar sind oder von bereits etablierten Verfahren auf die Batterietechnologie übertragen werden. Der Festkörperansatz bietet die Möglichkeit, neue Zellkonzepte (z. B. bipolarer Aufbau) zu realisieren und hierdurch den Anteil elektrochemisch inaktiver Komponenten oder Verschaltungsaufwand zu minimieren.

Mit dem Ziel kostengünstige Verfahren für Lithium-Ionen-basierte Festkörperbatterien zu erforschen, bezieht sich das Vorhaben auf den Schwerpunkt 2.3 „Zukünftige Batteriesysteme“ der Förderrichtlinie. Im Rahmen eines Verbundprojekts mit hoher Industriebeteiligung sollen Materialien und mikrometerdicke Elektrodenfilme über skalierbare Sol-Gel-Synthesen erzeugt und Schicht-für-Schicht eine bipolare Demonstratorzelle mittels kontinuierlicher, nasschemischer Beschichtung aufgebaut und eingehend charakterisiert werden. Als Anodenmaterial soll metallisches Lithium mittels inlinefähiger PVD-Verfahren untersucht werden. Durch Strukturierung der Stromableiter- und Kathodenschicht mittels skalierbarer Imprintverfahren soll die Grenzfläche vergrößert und somit die Unvereinbarkeit hoher Leistungs- mit hoher Energiedichte reiner Festkörperansätze gelöst werden. Weil jede Schicht ein spezifisches Kristallisationsverhalten aufweist, ist zudem eine starke Rückkopplung der Materialparameter mit dem Sinterprozess erforderlich, um Mischphasen, Ionendiffusion und die Entstehung isolierender Zwischenschichten zu vermeiden. In Verbindung mit innovativen Verfahren wie dem Laser-Sintern soll untersucht werden, wie mikrostrukturierte Elektrodenschichten selektiv kristallisiert werden können.

Das Technologiepotenzial soll zunächst durch eine kleinformatige bipolar aufgebaute Demonstratorzelle sowie durch die Integration von Strukturierungs-, Sinter- und PVD-Technologie in einer Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlage demonstriert werden. Eine Hochskalierung des Zellvolumens und der Gesamtenergie wird bei Projekterfolg mittelfristig angestrebt

Zunächst soll eine planare Vollzelle aus dünnen (< 1 µm) Filmen erforscht und charakterisiert werden. Dieses System dient als Grundlage und Referenz für die weiteren Entwicklungsschritte.

Im ersten Projektjahr werden die einzelnen Zellkomponenten optimiert: Forschung an einem homogenen und reproduzierbaren Aufdampfprozess für metallisches Lithium (AP 2, AMAT, ISC) ist eng mit Materialforschung an Elektrolyt- und Schutzschichten (AP 1, ISC) verknüpft und hat eine elektrochemisch stabile und ionisch gut angebundene Grenzfläche zum Ziel. Parallel werden neue Prozesse zum Lasersintern (AP 3, LUN, COA, ISC) an Kathoden- und Elektrolytschichten untersucht, welche Hand in Hand mit der eigentlichen Schichterforschung (Mehrfachgrünfilme, Nanopartikel zur Schichtdickenerhöhung, Stromableiterschichten, AP 1, ISC) durchgeführt werden. Hier stehen ein optimierter Energieeintrag zur Schichtkristallisation und die Minimierung von Diffusion bzw. Mischphasen zwischen den Schichten im Fokus. Die elektronische und ionische Anbindung der Kathode an Stromableiter- und Elektrolytschicht wird über Mikro- bzw. Nanostrukturierungen (AP 4, ISE, COA) eingestellt. Die Anpassung der Dichte und Formtreue der strukturierten Filme ist gemeinsames Ziel der Arbeitspakete 3 und 4 (ISE, LUN, COA). Die elektrochemische und morphologische Analytik (AP 7, ISC, VMB, ISE) soll Aufschluss über Alterungseffekte, Grenzflächenstabilitäten oder Umlagerungseffekte liefern. Die Entwicklung eines schlüssigen Zellkonzepts (AP 5, VMB, ISC) wird von Beginn des Projekts an – auch im Hinblick auf spätere Skalierbarkeit (AP 6, COA, VMB) – unter Berücksichtigung der aktuellen Komponentenentwicklung verfolgt.

Die 2. Projekthälfte ist auf die Skalierung der entwickelten Prozesse und die Systemintegration fokussiert: Die evaluierten Schichten und Prozesse werden zusammengeführt und auf einer Pilotanlage getestet (AP 6).

Mit dem Vorhaben SOLID wird an vielen Stellen wissenschaftliches Neuland betreten. Eine per Sol-Gel-Verfahren hergestellte Festkörperbatterie mit einer bimodalen Partikelverteilung in der Kathodenschicht wurde bislang noch nicht dokumentiert. Um gute wissenschaftlich-technische Erfolgsaussichten zu gewährleisten, wurde das Konsortium anhand der Fachexpertise in den kritischen Bereichen Sol-Gel-Beschichtung, Mikrostrukturierung, Vakuum- und Lasertechnologie und Zelldesign ausgewählt.

Die wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit wird als sehr gut eingeschätzt. Da Batterien ein Zukunftsmarkt mit hohem Wachstumspotential ist, sind aus einer erfolgreichen Projekt-Bearbeitung mittelfristig signifikante Umsatzsteigerungen in den relevanten Marktsegmenten zu erwarten, sowie neue Arbeitsplätze im Bereich der Sol-Gel- und Vakuum-Abscheidung von Schichten für diese Anwendungen.