Prozess- und Zellentwicklung auf Basis durchlässiger klassischer Trägerstrukturen für Elektroden

Um die Reichweite von Elektrofahrzeugen oder die Laufzeit von mobilen Multimedia-Anwendungen deutlich zu erhöhen, muss zwangsläufig die Energiedichte der Batterien gesteigert werden. Silicium als Material für die negative Elektrode der Batteriezelle übersteigt in seiner volumenbezogenen Speicherfähigkeit die des aktuell eingesetzten industriellen Standards Graphit um fast das Dreifache und ist daher für den Einsatz in Lithium-Ionen-Hochenergiezellen prädestiniert. Jedoch ist die Einführung von Silicium in kommerziellen Batteriesystemen trotz intensiver universitärer und industrieller Forschung bislang nicht gelungen. Die wesentliche Herausforderung beim Einsatz von Silicium als Anodenmaterial resultiert aus dessen starker Volumenänderung während der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen (Lade-/Entladevorgang).

Hier setzt das Vorhaben PRODUKT an. Im Rahmen des Projektes soll ein Hochenergiespeicher mit Schichtoxiden als Kathoden- und neuartigen Silicium-basierten Anodenmaterialien entwickelt werden. Durch die Verwendung von dreidimensional strukturierten Ableitern in Kombination mit einem neuen Herstellungskonzept soll dabei insbesondere den materialspezifischen Herausforderungen des Siliciums Rechnung getragen werden.

Ziel dieser Strukturen ist es, zum einen die mechanische Stabilität im Elektrodenverbund zu erhöhen. Im Rahmen des Projektes soll zum anderen ein neuer Lösungsansatz zur Reduktion der irreversiblen Verluste auf der Anode verfolgt werden. Wesentliche Aufgaben werden in der Entwicklung der Elektrodenstrukturen sowie deren Charakterisierung und Optimierung liegen. Konzeptzellen zum Nachweis der Machbarkeit sollen angefertigt und auf Funktion, Lebensdauer und Sicherheit untersucht wurden.

Die Entwicklung einer Zelle mit alternativer Anode auf Basis von Nano-Silicium und dreidimensionalem Ableiter beinhaltet damit folgende Projekt-Teil-Arbeitspakete:

• Optimierung der Trägerstrukturen, Anpassung auf Anforderungen,

• Optimierung der Materialeigenschaften der Silicium-basierten Aktivmaterialien: Erhöhung von spezifischer Kapazität, Minimierung von irreversiblen Kapazitätsverlusten, Erhöhung der Langzeitstabilität,

• Auswahl kommerziell zugänglicher, optimaler Zellkomponenten (z. B. Separator/Elektrolyt),

• Adaptierung der Materialeigenschaften auf prozesstechnologische Anforderungen,

• Entwicklung poröser strukturierter Elektroden und Optimierung der Elektrodeneigenschaften in Bezug auf Lebensdauer und Belastbarkeit,

• Entwicklung eines Konzepts zur Prälithiierung der Anode,

• Aufklärung auftretender Alterungsmechanismen in Kombination mit verschiedenen Elektrolyten,

• Untersuchung des Sicherheitsverhaltens im Normalbetrieb und bei Überladung,

• Entwicklung von Konzeptzellen und Bau eines Demonstrators.

Das Konzept zeichnet sich durch eine hohe Nutzungsbreite für die Industrie aus. Es kann im Erfolgsfall sowohl ein Lösungskonzept für den Einsatz von Silicium in Hochenergiezellen bereitstellen, als auch einen generellen Lösungsansatz im Bereich der „Next-Generation- und der Post-Lithium-Ionen-Systeme bieten.