Umweltfreundliche Hochenergie-NMC-622-Kathoden mit optimierter Speicherkapazität/ High-Load-Kathoden

Die Erhöhung der Energiespeicherdichte von sekundären Lithium-Ionen-Speichern ist eines der zentralen Ziele aktueller Entwicklungen, um die Anforderungen vor allem automobiler Anwendungen zu erfüllen. Ein wesentlicher Ansatzpunkt dafür liegt in der Optimierung der Kathodenstruktur und deren Speicherinhalt, da diese den ‚Lithiumlieferanten‘ für die Zelle darstellt. Optimierte Zellen besitzen heute Kathoden mit einer spezifischen Flächenkapazität von etwa 4 mAh/cm². Erreicht wird dies durch die Verwendung von Aktivmaterialien hoher Speicherdichte in Kombination mit erhöhten Packungsdichten der Elektrode. Flächengewicht und Elektrodendichte stellen somit die technologischen Ansatzpunkte für speicherdichteoptimierte Elektrodendesigns dar. Allerdings ergeben sich Einschränkungen aus der Verarbeitbarkeit in den Folgeprozessen der Zellherstellung (mechanische Anforderungen, Dauer der Elektrolytbefüllung) und der Zellperformance im Betrieb (insbesondere limitierte Ratenfähigkeit durch limitierte Lithiumionendiffusion).

Ziel des Projektes ist es, modellgestützt geeignete Elektrodenstrukturen (Flächengewicht, Porosität und Porengrößenerteilung, Partikelgrößenverteilung, …) für die Maximierung des Energiespeicherinhaltes von Hochenergieelektroden zu entwickeln und technologische Ansätze für die Realisierung solcher Elektroden zu untersuchen. In der Regel müssen mobile Sekundärspeicher allerdings ebenfalls eine hohe Schnelladefähigkeit aufweisen, was durch eine dicke Elektrode mit schlechter Lithiumionendiffusion erschwert wird. An diesem Zielkonflikt zwischen optimaler Energie- und Leistungsdichte setzt das Vorhaben HiLo an. Dafür sollen die Folienextrusion sowie innovative Trockenbeschichtungsverfahren betrachtet werden. Die Elektroden werden sowohl hinsichtlich Verarbeitbarkeit als auch Performance bewertet sowie die im Projekt entwickelten Modelle validiert.

Die technologischen Arbeiten im Projekt erfolgen bei IKTS und ISIT. Wie in allen Projekten des ProZell-Clusters üblich, werden in HiLo dafür Hochenergiepulver von Typ NMC 622 eingesetzt.

Das Fraunhofer IKTS bearbeitet im Labor- und Technikumsmaßstab extrusionsbasierte Abscheideverfahren, wobei sowohl klassische Extrusionsprozesse (Feststoffanteil 90 Prozent) aus der keramischen Technologie als auch der Auftrag über Schlitzdüsen (Feststoffanteil 50 bis 70 Prozent) als technologische Ansatzpunkte gesehen werden. Hierdurch sollen Prozess-Eigenschaftsbeziehungen für die mittels Extrusion hergestellten Kathoden abgeleitet werden. Das Fraunhofer ISIT wird Trockenbeschichtungsprozesse betrachten, die für die Elektrodenherstellung noch weitgehend unbekannt sind, allerdings wegen des vollständigen Verzichts auf Lösemittel ein hohes ökologisches und ökonomisches Potenzial aufweisen. Für die Bewertung der Skalierbarkeit wird mit dem Projekt LoCoTrop zusammengearbeitet.

Die Verarbeitbarkeit der so hergestellten Elektroden wird von IKTS und ISIT gemeinsam untersucht. Neben einer Bewertung der mechanischen Eigenschaften (Zusammenarbeit mit HighEnergy) wird die Benetzbarkeit mit dem Elektrolyten (beeinflusst signifikant die Dauer der nachgelagerten Elektrolytbefüllung) betrachtet. Das IKTS bringt dafür seine Methoden zu Charakterisierung des Elektrolytpenetrationsverhaltens im Elektroden-Separator-Verbund ein.

Die TU Dresden wird modellbasierte geeignete Elektrodenstrukturen identifizieren, simulieren und mittels elektrochemischer Methoden quantifizieren, welchen Einfluss diese strukturellen Anpassungen auf die Eigenschaften der Elektroden haben. Dabei steht die theoretische Vorhersage und experimentelle Ermittlung der Lithiumionendiffusion in porösen Elektroden im Vordergrund.

Das Vorhaben adressiert die Ziele des Clusters ‚ProZell‘ für die Herstellung von NMC-622-Kathoden (Mischen, Elektrodenauftrag, Verdichten). Im Ergebnis des Projektes entsteht ein tiefgehendes Verständnis für die Prozessgestaltung zur Realisierung optimierter Hochenergie-Kathoden, die Wechselwirkung mit Folgeprozessen sowie für den Einfluss auf die Zelleigenschaften (Speicherdichte, Leistungsfähigkeit). Dies bildet die Grundlage für eine Reduzierung der Produktionsentstehungskosten. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung der Prozesskette in Form von Prozess-Qualität-Eigenschaft-Funktionen und Prozess-Kosten-Funktionen geleistet.

Die Verfahren der Extrusionstechnik und Trockenbeschichtung zur Folienherstellung von Lithium-Ionen-Batterien bietet gegenüber den üblichen slurrybasierten Beschichtungstechniken, wobei in der Regel das Tapecasting-Verfahren großtechnisch eingesetzt wird, verschiedene Vorteile. Zum Beispiel sind bei diesem Verfahren die Feststoffanteile der Slurries auf 50 Prozent begrenzt, sodass die Folien nach der Beschichtung aufwendig getrocknet werden müssen. Da bei der Extrusion und Trockenbeschichtung weniger bzw. kein Lösemittel verwendet wird, entfällt dieser kosten- und energetische Zusatzaufwand nahezu vollständig. Nebenbei können mit diesen Verfahren aufgrund der höheren Viskosität gegenüber dem Tapecasting auch dickere Elektrodenschichten und damit größere Beladungen eingestellt werden.

Unterstützend zur Prozessentwicklung wird das Elektrodendesign der Partner durch die Modellierung vorgegeben und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet. Demzufolge können umfangreiche Experimente entfallen und die Entwicklungsprozesse zielgerichtet beschleunigt werden. Um die Anwendung der Erkenntnisse aus der Simulation zu vereinfachen, wird angestrebt empirische Auslegungsgleichungen abzuleiten, die zukünftig diese Zielkonflikte einfacher darstellen und die Auswahl eines guten Kompromisses im Trade-off von Energie- und Leistungsdichte ermöglichen.