Prozessforschung und -entwicklung zur Herstellung und Verarbeitung von gerundeten Graphiten für Lithium-Ionen-Zellen mit verbesserter Schnellladefähigkeit

Graphit ist mit mehr als 90 Prozent Marktanteil (67 Prozent für Naturgraphit (NG) und 24 Prozent für synthetischen Graphit (SG)) das wichtigste Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und wird es mit höchster Wahrscheinlichkeit mindestens für die nächsten 10 bis 20 Jahre bleiben. Als mögliche Alternative mit höherer Energiedichte wird Silicium (Si) intensiv untersucht. Um die erforderlichen Zyklenstabilitäten zu erreichen, wird Si dabei zumeist als Komposit mit mehr als 90 Prozent Graphit bzw. Kohlenstoff verwendet. Graphit stellt massen- und volumenbezogen somit auch in Zukunft die Hauptkomponente der Anode dar.

Mit den Zuwächsen in den Bereichen Elektromobilität und stationärer Energiespeicher wird sich der Bedarf an LIB und Graphit in den nächsten fünf bis zehn Jahren mindestens verdoppeln. Dieser Bedarf lässt sich mit den heute erschlossenen NG-Vorkommen nur schwierig abbilden. Zudem kommen heute 90 Prozent des NG für LIB aus China, was ein ernstes Versorgungsrisiko darstellt und der Grund ist, weshalb die Europäische Kommission NG als kritischen Rohstoff eingestuft hat. Vor diesem Hintergrund laufen zurzeit intensive Anstrengungen, um neue NG-Vorkommen zu erschließen.

Davon unabhängig kann SG die Versorgungssicherheit z. B. für eine europäische Zellfertigung maßgeblich verbessern und ermöglicht zudem meist eine bessere Zyklenstabilität bei höchster Zellperformance. Häufig werden von den LIB-Zellherstellern aus Kostengründen Mischungen aus SG und NG eingesetzt, wobei der Kostenvorteil von chinesischem NG neben der lokalen Verfügbarkeit für die asiatischen Zellhersteller auch auf die niedrigen Umweltstandards beim Abbau und der Reinigung des NG zurückzuführen ist.

Das Verbundvorhaben RONDO beschreitet einen weiteren Weg, um die Versorgung mit Graphit sicherzustellen, und versucht, Graphit bei der Zellherstellung einzusparen. Die unebenen, kantigen Graphitpartikel, aus denen die Anoden hergestellt werden, werden heutzutage in zunehmendem Maße abgerundet, weil dies die Leistungs- und insbesondere die Schnellladefähigkeit der Anode verbessert. Die bestehenden aufwändigen Prozesse zur Rundung sind allerdings sehr ineffizient und erreichen lediglich Ausbeuten von 30 bis 50 Prozent. Der Verlust an Graphit ist also sehr hoch.

Ziel des Projektes ist es deshalb, einen neuen und kostengünstigeren, integrierten Prozessschritt zu entwickeln, um Graphitpartikel abzurunden - mit besonderem Augenmerk auf die Optimierung der Ausbeute bei optimaler Partikelgrößenverteilung.

• Vergleich und Bewertung, sowie Verbesserung bekannter Verfahren zur Rundung von Graphit hinsichtlich Materialeigenschaften, Prozessausbeuten und Energieeinsatz.

• Entwicklung eines neuen integrierten Prozessschritts zur Rundung von Graphit und Integration dieses Prozessschritts in die Gesamtprozesskette aus Mahlung, Rundung und Klassierung mit besonderem Augenmerk auf

  - die Optimierung der Ausbeute bei optimaler Partikelgrößenverteilung, optimaler Schütt-und Stampfdichte, hoher Sphärizität der Partikel und geringer spezifischer Oberfläche,

  - die Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs des gesamten Prozesses,

  - die Verbreiterung des Arbeitsfensters und die Möglichkeit, maßgeschneiderte Produkte herzustellen.

• Verbesserung des Rundungsprozesses derart, dass eine zusätzliche teure Kohlenstoff-Beschichtung verzichtbar wird.

• Synthese und Modifizierung von NG- und SG-Rohstoffen unterschiedlicher Herkunft und Eigenschaften zur Erzeugung von Anodengraphiten mit verbesserten Eigenschaften.

• Versuche zur Oberflächenfunktionalisierung der Graphite während des Rundungs- und Mahlprozesses oder durch nachträgliche Behandlung mit dem Ziel, die Verarbeitbarkeit zu Elektroden und deren elektrochemische Eigenschaften zu verbessern.

• Erarbeiten eines detaillierten Verständnisses für die Zusammenhänge zwischen Materialsynthese und -modifizierung, Struktur und Materialeigenschaften und elektrochemischer Performance, um die Graphitmaterialien gezielt verbessern zu können.

• Weiterentwicklung von Charakterisierungsmethoden zur Analyse von Graphiten.

• Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit der Graphite zu Elektroden, insbesondere zur Kompatibilität mit verschiedenen Bindersystemen und zu Elektrodenpastenstabilitäten.

• Entwicklung von schnellladefähigen Anoden durch Identifizierung der idealen Graphitmaterialien, Verwendung von Materialblends und optimiertes Elektrodendesign.

• Untersuchungen zu Alterungsphänomenen der Graphitelektroden während der Formierung und Zyklisierung sowie zu deren thermischer Sicherheit.

• Die Märkte, in denen Hosokawa Alpine aktiv ist, werden zunehmend kompetitiv. Insbesondere in den asiatischen Ländern trifft man immer häufiger auf „Kopierer“, die Maschinen und Anlagen europäischer Hersteller nachbauen und zu sehr geringen Preisen anbieten. Eine Differenzierung durch die Bereitstellung eines Know-how-intensiven Zusatznutzens wird daher immer wichtiger, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können. Dazu kann die Rundung von Graphit bei hohen Ausbeuten zweifelsohne gezählt werden.

• SGL ist aktuell der größte europäische Hersteller von SG für LIB. SG wird häufig in zellspezifischer Mischung mit NG als Anodenmaterial eingesetzt, wodurch meist ein Kompromiss aus Kosten (NG) und Performance (SG) erzielt wird. Durch einen kosten- und performanceoptimierten Rundungsprozess für Graphitpulver in Kombination mit speziell definierten Ausgangsmaterialien können besonders konkurrenzfähige Produkte erhalten werden. Die Entwicklung und Vertiefung der Kenntnisse zu den finalen Prozessierungsschritten zum kundenspezifischen Anodenmaterial sowie dessen Verarbeitung zu Elektroden verbessert hierbei die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber asiatischen Zulieferern.

• SGL ist in der Lage, großtechnisch speziell optimierte synthetische Graphite herzustellen, die bezüglich Kapazität, irreversibler Verluste, Elektrodendichte, Strombelastbarkeit und Qualität zu den weltweit führenden synthetischen Graphiten gehören. Die endgültige Prozessierung der Graphite zu kundenspezifisch angepassten Graphit-Anodenmaterialien wird jedoch aktuell häufig erst bei den außereuropäischen Anwendern durchgeführt. Diese umfasst z. B. das finale Partikeldesign mit Anpassung der Partikelgrößenverteilung und Sphärizität, eine optionale Oberflächenbeschichtung, oder das Verschneiden von SG- und NG-basierten Pulvern. Das Vorhaben RONDO eröffnet die Perspektive, diesen Wertschöpfungsschritt nach Deutschland zu holen.

• Aus wissenschaftlich-technischer Sicht eröffnet das Projekt die Weiterentwicklung von effizienteren Speichersystemen, was auf den verbesserter Ausnutzungsgrad jeder Einzelzelle zurückzuführen ist. Durch das Vorhaben stärken alle Projektpartner ihre Fachkompetenz und werden darüber hinaus in die Lage versetzt, an zukünftigen Forschungsprojekten auf nationaler und internationaler Ebene mitzuwirken.

• Durch die enge Verknüpfung von Forschung und Lehre an der Universität werden neue Erkenntnisse der Forschung sofort in die Lehre einfließen können. Damit können die Auszubildenden in das wichtige Forschungsgebiet eingeführt und dafür begeistert werden.

• Das in RONDO erarbeitete Know-how zur Charakterisierung der graphitischen Materialien ermöglicht die Akquisition neuer Forschungsprojekte zu dieser Thematik sowohl im Bereich öffentlich geförderter Projekte als auch in Zusammenarbeit mit der Industrie.

• Die im Projektrahmen erarbeiteten Ergebnisse sollen abgestimmt mit allen Projektpartnern im Rahmen von Veröffentlichungen, sowie auf nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt und diskutiert werden.

• Schützenswerte Projektergebnisse werden über die Anmeldung von Schutzrechten abgesichert. Aus deren Lizenzierung können sich für das ZSW wichtige Einnahmen ergeben.