Skalierbare, kostengünstige Fertigungstechnologien für Kompositkathoden und Elektrolytseparatoren in Festkörperbatterien

Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperionenleitern und Lithiummetall-Anoden werden aufgrund ihrer potenziell höheren spezifischen Energiedichte und vorteilhafterer Sicherheit als vielversprechende Speichertechnologien für zukünftige Elektrofahrzeuge gesehen. Trotz signifikanter Erhöhung der Forschungsaktivitäten innerhalb der vergangenen Jahre und der Darstellung der technischen Funktionalität von Festkörperbatterien im universitären Labormaßstab fehlt es bis dato an Prozesstechnologien zur massenfertigungstauglichen Darstellung.

An diesem Punkt setzt das Verbundprojekt ARTEMYS an. Ziel ist es, geeignete Prozesstechnologien für die Herstellung von vollkeramischen Festkörperbatterien (insbesondere Kompositkathoden und Festelektrolytseparatoren) zu erarbeiten, diese bezüglich ihrer Skalierbarkeit zu bewerten und mit den geeigneten Technologien Musterzellen im Labormaßstab zur Validierung darzustellen. Somit wird eine sowohl prozesstechnologische als auch eine kostenbasierte Entscheidungsgrundlage für eine potenziell nachfolgende Industrialisierung am Standort Deutschland gelegt. Durch den Zusammenschluss von drei Forschungsinstituten bzw. Universitäten sowie acht Firmen zu einem Kompetenznetzwerk entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Batteriefertigung wird notwendiges Know-how von der Materialherstellung und -aufarbeitung über die Elektroden-prozessierung und Zellherstellung inklusive der Fertigungsplanung bis hin zur Bewertung der Anwendung im Automobil gebündelt.

Die wissenschaftlichen Herausforderungen der Darstellung einer Festkörperbatterietechnologie werden im Projekt auf Basis einer detaillierten Elektroden- und Stackauslegung für Kompositkathoden und Separatoren mit Festkörperionenleitern adressiert. Dieses soll sowohl durch die Entwicklung geeigneter Fertigungstechnologien (etwa neue skalierfähige Sintertechnologien oder Kaltabscheideverfahren) als auch durch eine geeignete Wahl der Kombination von Aktivmaterial und Ionenleiter inklusive der Optimierung von Korn-, Oberflächen- und Mikrostruktur für den Aufbau der Elektroden erreicht werden.

Bei der Realisierung von Festkörperbatterien mit hinreichend hohen spezifischen Energien für automobile Anwendungen ergeben sich folgende wesentliche Herausforderungen:

• Realisierung eines defektfreien, über die Lebensdauer stabilen Elektrolytseparators (Vermeidung von Dendritenwachstum)

• Kompensation thermomechanischer Spannungen in der anorganischen Kompositkathode und im Elektrolyten (Atmen des Aktivmaterials, Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten)

• Herstellung einer Kompositkathode mit geringer Restporosität bei gleichzeitiger Vermeidung von schädigenden Nebenreaktionen zwischen Aktivmaterial und Ionenleiter.

Diese Fragestellungen werden im Projekt auf Basis einer detaillierten Elektroden- und Zellauslegung für Kompositkathoden mit sulfidischen bzw. oxidischen Festkörperionenleitern durch folgende Ansätze adressiert:

• Entwicklung geeigneter Fertigungstechnologien (etwa neue skalierfähige Sintertechnologien oder Kaltabscheideverfahren)

• geeignete Wahl der Kombination von Aktivmaterial und Ionenleiter sowie Optimierung von Korn-, Oberflächen- und Mikrostruktur für den Aufbau der Kompositkathode.

Im Projekt werden zunächst werden die Anforderungen an Fertigungstechnologien sowie an das Zell- und Stackdesign aus Anwendungssicht (top-down) und Materialperspektive (bottom-up) erarbeitet. Darauf basierend werden die Basismaterialien (Kathodenaktivmaterialien, sulfidische und oxidische Ionenleiter, Lithium-Anode) bereitgestellt, untersucht und Skalierungsverfahren entwickelt und implementiert. Dies bildet den Anknüpfungspunkt für die Komponentenentwicklung, den Kathodenkompositen und Separatoren, auf Basis von oxidischen und sulfidischen Ionenleitern. Die Einzelkomponenten werden anschließend zu Zellprototypen (<1 Ah) aufgebaut und getestet. Anhand der Ergebnisse erfolgen eine Technologiebewertung sowie die Ableitung geeigneter Fertigungskonzepte inklusive der Abschätzung zu erwartender Material- und Prozesskosten.

Festkörperzellen könnten nach Einschätzung der ARTEMYS-Partner ab 2025 in Traktionsbatterien zum Einsatz kommen, dies bedeutet einen Technologiesprung mit signifikanter Auswirkung auf Produktions- und Prozesstechnik. Im Rahmen des Projektes wird ein grundlegendes Zell-, Prozess- und Produktions-Know-how oxidischer und sulfidischer Festkörperzellen erarbeitet, das bei positiver Bewertung der Technologie mittel- bis langfristig in der Industrie am Standort Deutschland umgesetzt werden kann.

Festkörperbatterien kommen aufgrund ihrer intrinsischen vorteilhaften Eigenschaften auch für zahlreiche andere Anwendungen in Frage, wie Consumer-Electronics, Power Tools oder stationäre Speicher für Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze. Durch Verbesserung von Sicherheit und Energiedichte kann die Festkörperbatterietechnik zukünftig die Potenziale elektrochemischer Energiespeicher weiter signifikant erhöhen. Damit wird die Nutzung regenerativer Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie zukünftig stark unterstützt.

Das Projekt ARTEMYS bildet auf dem Gebiet der Festkörperbatterie ein einzigartiges Zusammenspiel von Forschungseinrichtungen, Materialherstellern, Anlagenbauern, Automobilzulieferer und OEM am Technologiestandort Deutschland. Das hier aufgebaute Kompetenznetzwerk wird eine nachhaltige Schnittstelle zwischen deutscher Industrie, Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektromobilität werden.