Verbesserte Lithium-Ionen-Batterien durch Modifikation der Elektrodenoberflächen

Die Elektroden sind Kernelemente jeder Lithium-Ionen-Zelle. Sie bestimmen maßgeblich die Leistungsparameter und die Herstellkosten der Zelle. Im Projekt SurfaLIB werden Verfahren zur Oberflächenmodifizierung der Substratfolien und der Aktivmaterialschichten untersucht, welche die Verbesserung der Leistungsparameter und die Senkung der Herstellkosten von Lithium-Ionen-Zellen zum Ziel haben. Ein besonders wesentlicher Stellhebel ist dabei die Dicke der Aktivmaterialschicht der Elektroden. Jedoch sind Elektroden mit hoher Aktivmaterialbeladung derzeit noch mit großen Herausforderungen in der Herstellung und der Nutzung verbunden.

Ziel des Projekts SurfaLIB ist die Befähigung der wirtschaftlichen Produktion bis zu 250 µm dick beschichteter Elektroden zu hohen Stromraten durch Modifikation der Aktivmaterial- und Substratoberflächen. Dies impliziert besonderen Handlungsbedarf in vier Aspekten:

• verbesserte Haftung der Beschichtung an der Substratfolie,

• verringerte elektrische Widerstände zwischen Substrat und Beschichtung,

• verbesserte ionische Transporteigenschaften in dicken Dickschichtelektroden und

• verbesserte Benetzbarkeit der Beschichtung mit Elektrolytflüssigkeit.

Dem oben dargestellten Handlungsbedarf wird in SurfaLIB mit innovativen Prozessen zur Oberflächenmodifikation begegnet, darunter Plasma, Laser und Galvanik. Die Verfahren werden zuerst eingehend im Labormaßstab untersucht, anschließend auf die Pilotlinien der beteiligten Forschungsinstitute übertragen und dort validiert. Sowohl für die Behandlung der Substratfolien als auch für die Modifikation der Elektrodenbeschichtung werden fundierte Verfahrenskombination durchgeführt und die Eigenschaftsverbesserung von Testzellen durch die Synthese der Oberflächenmodifizierungen quantifiziert werden. Den Projektabschluss bilden Konzepte zur Skalierung und die monetäre Bewertung der erreichten Verbesserungen der Zelleigenschaften sowie der Auswirkungen auf den Produktionsprozess.

Die in SurfaLIB erwarteten Ergebnisse zielen sowohl auf die Verbesserung der Zelleigenschaften als auch auf die Kostensenkung von Lithium-Ionen-Batterien ab. Letztere wird durch erhöhte Wirkungsgrade, Materialeinsparung durch die Reduzierung passiver Komponenten und optimierte Produktionsprozesse ermöglicht. Die Validierung der Verfahren im Pilotserienmaßstab stellt sicher, dass die Erkenntnisse schnelle in die industrielle Anwendung übertragen und dadurch von den Projektpartnern verwertet werden können. Darüber hinaus wird erwartet, dass die grundlegenden Ergebnisse auch auf folgende Zellgenerationen übertragbar sein werden.