Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Ziel des Vorhabens ist es, die Performance von Lithium-Ionen-Zellen bei gleichzeitiger Einsparung von Material- und Herstellungskosten zu erhöhen und damit die Voraussetzungen für eine Technologie- und Kostenführerschaft einer großskaligen Batterieproduktion in Deutschland zu etablieren. Das nachhaltige Produktionskonzept eröffnet auch einen schnelleren Einstieg in die Technologie neuer Zell-Generationen wie Lithium-Schwefel-Batterien.

Das Projekt adressiert im Wesentlichen die folgenden drei Ziele:

1. Steigerung der Energiedichte,

2. Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit und

3. Weiterentwicklung des Verständnisses zum Produktionsprozess, die im Folgenden näher erläutert werden.

Steigerung der Energiedichte: Im Vergleich zum Stand der Technik (3 bis 4 mAh/cm²) sollen sehr hohe Flächenkapazitäten der Elektroden (Ziel: 8 bis 12 mAh/cm²) durch das Aufbringen sehr dicker Elektrodenschichten realisiert werden. Dabei soll mit Hilfe hierarchischer Strukturierung der Elektroden bezüglich Partikel- und Porengrößenverteilung sowie Eigenschaftsgradienten von Aktivmaterial, Binder und Leitruß, deren Optimum durch Modellierung ermittelt wird, die zunehmende Transportlimitierung behoben und eine anwendungsrelevante Strombelastbarkeit erreicht werden. Das Verhältnis von Aktivmaterialmasse zu inaktivem Massenanteil der Zelle wird erheblich erhöht, die Volumenausnutzung im Gehäuse gesteigert.

Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit: Die durch eine einfache Auftragstechnik realisierte sehr hohe Flächenbelegung ermöglicht es, Hochenergiezellen mit deutlich weniger Elektrodenlagen zu assemblieren und dadurch den Stapel- bzw. Wickelprozess stark zu verkürzen. Der Stapelprozess soll zudem für dicke Elektroden angepasst und optimiert werden.

Verständnis zum Produktionsprozess: Produktionskonzepte werden erarbeitet, mit denen eine Fertigung dicker Hochenergieelektroden trotz der großen produktionstechnischen Herausforderungen mit hoher Homogenität, mechanischer Stabilität, Substrathaftung und Elastizität realisiert werden kann. Die Elektroden sollen in Rolle-zu-Rolle-Verfahren prozessierbar sein und zudem eine hohe Zyklenlebensdauer erreichen. Entwicklung und Qualifizierung eines Verfahrens für die Stapelbildung mit dicken Elektroden ist ebenfalls Bestandteil des Projektes.

Im Projekt HighEnergy werden in enger Abstimmung der prozesstechnischen Partner (ZSW, iPAT, TFT und wbk) Strukturierungskonzepte für hochkapazitive Elektroden entwickelt und untersucht. Dabei muss die komplette Prozesskette abgebildet werden. Ebenso wird der Einfluss der Mischprozesse auf die Transportlimitierungen untersucht.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Beschichtungsprozess, dabei insbesondere der simultane Mehrlagenauftrag sowie der intermittierende Auftrag. Hierzu werden systematische Untersuchung des Einflusses der Trocknungsbedingungen auf die Elektrodeneigenschaften durchgeführt. Des Weiteren wird ein Prozessverständnis für die Stapelbildung entwickelt und dieses für hochkapazitive Elektroden optimiert.

Die hergestellten Elektroden werden sowohl als Einzelelektrode als auch als Zelle charakterisiert. Die Uni Ulm erstellt unter Verwendung von stochastischen 3D-Strukturmodellen Realisierungen virtueller Elektroden auf Basis von Tomographien realer Kathoden und Anoden. Die Realisierungen dienen als Input für strukturaufgelöste Halb- und Vollzellsimulationen, welche vom DLR/HIU durchgeführt werden. Die Simulationen geben detaillierte Einblicke in limitierende und kritische Prozesse und Betriebszustände innerhalb der Batterie. Die Parametrierung des Modells wird anhand elektrochemischer Messungen vorgenommen, die von den Partnern der Prozesstechnik zur Verfügung gestellt werden.

Die Ergebnisse der rigorosen mathematischen Optimierung (InES) werden von der Uni Ulm aufgegriffen, in 3D-Realisierungen der Elektrodenstruktur umgesetzt und an das DLR/HIU zur elektrochemischen Evaluierung übergeben. Am Ende dieses iterativen Prozesses stehen so optimierte Elektrodenstrukturen und Parameter bereit, welche den experimentellen Gruppen als Leitfaden bei der Elektrodenherstellung dienen sollen. Mit Hilfe intensiver Simulationsstudien werden Leistungs-Struktur-Korrelationen ermittelt, die ein wichtiges Hilfsmittel der Elektrodenentwicklung sind.

Die Produktion von Batteriezellen ist eine Abfolge von komplexen Einzelprozessen, an denen verschiedene Industriebranchen beteiligt sind, so etwa die chemische Industrie sowie der Anlagen- und Maschinenbau. Angestrebt wird eine hohe Leistungsfähigkeit und Qualität der Batteriezellen bei niedrigen Kosten.

Allerdings gibt es derzeit noch Lücken bei der detaillierten wissenschaftlichen Beschreibung der komplexen Zellproduktionsprozesse, da nicht jede Forschungseinrichtung alle Aspekte auf den unterschiedlichen Größenskalen und bei dem komplexen Wechselspiel der Materialien untereinander alleine abschließend bearbeiten kann. Jede auf dem Gebiet der Batteriezellproduktion aktive Forschungseinrichtung zeichnet sich aber durch hohe Kompetenzen in einzelnen, sich ergänzenden Facetten der Elektroden- und Zellfertigung aus.

Die Vielzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen, die sich aus der Komplexität der Batteriezellproduktion ergeben, kann erst durch eine intensive Zusammenarbeit der relevanten deutschen Forschungseinrichtungen erfolgreich bearbeitet werden. Hier setzt das nationale Kompetenzcluster zur Batteriezellproduktion (ProZell) an: Ziel von ProZell ist es, den Produktionsprozess von Batteriezellen und dessen Einfluss auf die Zelleigenschaften sowie die Produktentstehungskosten zu erarbeiten, im Detail zu verstehen und wissenschaftlich beschreiben zu können sowie für neue Batteriegenerationen weiterzuentwickeln. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland gelegt werden.

Für eine wirtschaftliche Batteriezellproduktion müssen die produzierten Lithium-Ionen-Zellen eine hohe Qualität und Performance aufweisen. Weiterhin dürfen die Material- und Herstellungskosten nur so hoch sein, dass der Prozess insgesamt profitabel und wirtschaftlich bleibt. Hier setzt das Projekt HighEnergy an. Das Projekt soll die Herstellung sehr dicker Elektrodenstrukturen untersuchen, die einen hohen Energiegehalt mit sich bringen. Durch den hohen Energiegehalt soll sich die Reichweite elektrischer Fahrzeuge deutlich erhöhen.

Das Konsortium plant die Untersuchung der gesamten Prozesskette der Elektrodenfertigung. Es sollen nicht nur grundlegende Erkenntnisse bezüglich der benötigten Materialien wie Binder, Additive und Aktivmaterial erlangt werden, sondern auch hinsichtlich der einzelnen Verarbeitungsschritte zu Elektroden. Der Gesamtprozess soll so erarbeitet werden, dass er ohne Schwierigkeiten auf neue Batteriezell-Generationen wie Lithium-Ionen-Feststoffbatterien oder Lithium-Schwefelbatterien übertragbar ist. Dies soll einen schnelleren Einstieg in neue Zelltechnologien ermöglichen.