Silicon Graphite goes Industry

Die Steigerung der Kapazität bzw. der Leistung pro Volumen von Lithium-Ionen-Batterien ist ein Schlüssel zur Steigerung der Akzeptanz der Elektromobilität in der Bevölkerung und damit zum Erreichen des Ziels der Bundesregierung, im Jahr 2020 eine Million aktive Elektrofahrzeuge zu etablieren. Eine vielversprechende Technologie, um dies zu erreichen, stellt der Einsatz des hochkapazitiven Siliciums als Aktivmaterial in der Anode dar.

Mit diesem Ansatz ist jedoch die Herausforderung der deutlich stärkeren Volumenänderung des Siliciums bei der Aufnahme der leistungsbestimmenden Lithium-Ionen verbunden, was derzeit noch zu einer deutlich reduzierten Langzeitbeständigkeit der Batterie führt. Vielversprechende Ansätze, durch die Nutzung von Silicium-Kohlenstoff-Kompositmaterialien (Si/C-Komposite) diese Volumenänderung zu kompensieren, sind im Labormaßstab vorhanden. Dabei dient der Kohlenstoff als Abstandshalter und elektrischer Leiter zwischen den Siliciumpartikeln. Somit kann die hohe Kapazität des Siliciums genutzt und gleichzeitig eine erheblich verbesserte Zyklenstabilität erzielt werden.

Das Projekt SiGgI (Silicon-Graphite goes Industry) adressiert diese Technologie und hat zum Ziel, die Schnittstelle zwischen Labor und industrieller Umsetzung abzubilden. Dafür ist neben der Materialentwicklung von Si/C-Kompositen, welche im Fokus des Projektes stehen, auch eine hochreproduzierbare Testzellenfertigung notwendig, welche die Streuung der manuellen Testzellenassemblierung reduziert und somit die Auflösung sehr kleiner Effekte ermöglicht. Dieses Ziel wird im Projekt durch eine zu entwickelnde vollautomatisierte Testzellenfertigung umgesetzt, welche mit entsprechender Messgrößenaufnahme zur kontinuierlichen Prozessüberwachung kombiniert wird. Zur weiteren Verbesserung der Zyklenstabilität wird weiterhin die Generierung von künstlicher SEI (Solid-Electrolyte-Interface) auf den Elektroden als Zersetzungsschutz untersucht.

Das Projekt wird in vier Arbeitsschwerpunkte gegliedert, die parallel über die Projektlaufzeit bearbeitet werden.

Der erste Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von siliciumhaltigem Aktivmaterial und Verfahren zur Fertigung von Silicium-Kohlenstoff-Elektroden im Technikumsmaßstab. Die Materialentwicklung beinhaltet die Materialbereitstellung, zu der die Zerkleinerung des Siliciums in den Nanometerbereich mittels Rührwerkskugelmühlen gehört, die Entwicklung von SiC-Mahlkugeln, sowie die Herstellung von Si/C-Kompositen, etwa mittels Granulationsverfahren. Die Untersuchung der Suspensionsformulierung und die Strukturanpassung der Elektroden durch Trocknung und Kalandrierung sind wichtige Elemente bei der Elektrodenherstellung.

Den zweiten Schwerpunkt des Projektes bildet die Vorbehandlung der Elektroden. Ziel ist die Erzeugung einer stabilen geschlossenen SEI, um die Elektroden während der Zyklisierung vor Zersetzung zu schützen. Zusätzlich verhindert diese einen kontinuierlichen irreversiblen Verlust von Ladungsträgern in der Zelle.

Der dritte Schwerpunkt des Arbeitsprogramms besteht in der Konzeption und Realisierung eines entsprechenden Anlagenkonzeptes zur automatisierten Assemblierung von Testzellen für die Evaluation von materialtechnischen Entwicklungen. Durch die automatisierte Assemblierung der Systeme soll eine hohe Reproduzierbarkeit angestrebt werden, mittels derer die Aussagekraft der Ergebnisse gesteigert und damit der Stichprobenumfang weiter reduziert werden kann.

Den vierten Schwerpunkt bildet die Konzeption eines Systems zur Datenerfassung, -speicherung, -verarbeitung und -auswertung (Data Mining) für Daten der Fertigung, Materialien und hergestellten Batteriezellen. Dadurch lassen sich neben revolutionären Aspekten (Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien) auch evolutionäre Aspekte (z. B. verschiedene Elektrolyte oder Additive) bei der Zellentwicklung effektiv berücksichtigen.

Das Projekt liefert durch die ganzheitliche Ausrichtung einen Beitrag zur Nutzbarmachung des hohen Potenzials von siliciumhaltigen Anoden. Die Serienreife siliciumbasierter Anodenmaterialien und deren Integration in ein Batteriesystem spielen bei der Verbesserung der Lithium-Ionen-Technologie, insbesondere bei der Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen, eine große Rolle.

In der Entwicklung und Realisierung einer automatisierten Lösung für Testzellmessungen liegt großes Potenzial zur Senkung der Entwicklungskosten für weitere Technologieschritte und zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit. Dies senkt für Unternehmen die Hürde zur Erforschung neuer Technologien, welche für die Herstellung bzw. Wahrung eines Technologievorsprungs entscheidend sind. Zudem bieten sich Ansätze zur direkten wirtschaftlichen Verwertung der Projektergebnisse, welche in Hochtechnologieprodukte mit Alleinstellungsmerkmal einfließen können.