Effiziente Formierungsstrategien zur Erhöhung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie der Kostensenkung in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen/Batterien

Der Formierungs-, Reife-, Qualitätssicherungs- und Sortierungsprozess in der Lithium-Ionen-Zellherstellung umfasst ca. ein Drittel der Zellkosten und nimmt in der Regel 1,5 bis 3 Wochen in Anspruch. Ziel des Projekts ist es, auf Basis grundlegender Untersuchungen zur Formierung, insbesondere der Ausbildung der anodischen Solid Electrolyte Interphase (SEI), aber auch der kathodischen Grenzschicht (Cathodic Decomposition Layer - CDL) den Formierungsaufwand hinsichtlich Zeit als auch benötigter Infrastruktur zu optimieren. Dadurch sollen die Kosten der Zellproduktion durch die Vereinfachung der Formierung stark reduziert werden. Dies soll zum einen durch die Beschleunigung der Formierung selbst, aber auch durch eine intelligente Prüfmethode zur Charakterisierung und Freigabe der Zellen erreicht werden.

Des Weiteren soll durch angemessene Formierungsparameter eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer und Erhöhung der intrinsischen Sicherheit der Zellen erreicht werden, wodurch ebenfalls die Wertschöpfungskette optimiert werden würde.

Diese Ziele sollen mit State-of-the-art-Materialien (Graphit, NCM) erreicht werden. Parallel dazu soll untersucht werden, inwieweit die Ergebnisse auf advanced Materialien (z. B. Si/C-Komposite) und Prozesse übertragbar sind.

Mit diesen Zielstellungen soll für die deutsche Industrie im internationalen Wettbewerb ein deutlicher Kosten- und Qualitätsvorteil und Wissensvorsprung erreicht werden.

In der ersten Phase des Projektes werden die grundlegenden Material- und Prozessparameter definiert, die für die Herstellung der Testzellen verwendet werden sollen. Ausgehend von diesen Testzellen soll der Einfluss von Material- und Prozessparametern auf die Bildung der Grenzschichten an Anode und Kathode bzw. den Aktivmaterialien untersucht werden, um die Modellierung von Formierungsparametern für die Modellzelle abzuleiten. Als Testzellen werden Lithium-Ionen-Knopfzellen (CoinPower) von VMB gewählt, da diese aus einer standardisierten Massenproduktion kommen und reproduzierbar sind. Anhand dieser Zellen wird eine ausführliche, in der Form vielleicht noch nicht durchgeführte „Riesen-Formierungs-Matrix“ durchgeführt und ausgewertet.

In einem weiteren Arbeitspaket werden zusätzlich weiterführende Untersuchungen zur Zellalterung und Zellsicherheit durchgeführt und diese in Zusammenhang mit den Formierungsparametern gestellt. In dieser Phase werden auch weitere wichtige Prozessparameter in der Wertschöpfungskette getestet, um eine effiziente Verknüpfung beim Zellhersteller zwischen Befüllung der Zelle mit Elektrolyt, ein mögliches Vorladen der Zelle und der anschließenden Formierung zu ermöglichen. Die Ergebnisse aus diesen Tests sollen übertragen bzw. skaliert werden, um auf größeren Zellen die Einflüsse des entwickelten Formierungsprozesses zu prüfen.

In einem abschließenden Arbeitspaket sollen die gewonnenen Erkenntnisse von den angewandten Projektpartnern im industriellen Ablauf eingebunden und getestet werden, um auf dieser Grundlage eine großtechnische und ökonomische Bewertung durchzuführen.

Neben dem grundlegenden Erkenntnisgewinn für die Batterieentwicklung werden mit den konkreten chemischen und physikalischen Ergebnissen der beteiligten Forschungseinrichtungen innovative Konzepte für den Formierungsprozess von Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie Elektrodenmaterialien, Elektrolytadditive und -komponenten erwartet.

Die Verwertung innerhalb des EffiForm-Konsortiums erfolgt durch die Weitergabe von Materialien und Entwicklungsergebnissen, gemeinsamen Tests und Charakterisierungsverfahren, sowie durch intensive Diskussion, auch außerhalb der regulären Projekttreffen. Im Erfolgsfall sollen gemeinsam mit den Partnern die Laborergebnisse in industriell verwertbare Form überführt werden. Um dies zu erreichen, wären auf jeden Fall Schutzrechte für neue Materialentwicklungen und Teilkomponenten sowie Prozesse anzustreben. Damit wird auch langfristig zur internationalen Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland und zu einer breiten Basis für die Batterieentwicklung beigetragen.

Mittelfristig sollen an den beteiligten Forschungseinrichtungen Prozesse und Materialien entwickelt werden, die die Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB) kostengünstiger und effizienter gestalten sowie einen positiven Beitrag zur passiven Sicherheit der LIB-Technologie leisten. Die hierbei erlangten Erkenntnisse sollen direkt in die Ausbildung des akademischen und technischen Nachwuchses durch Vorlesungen, Seminare und praktische Arbeiten im Labor einfließen.

Langfristig soll Einfluss auf die Entwicklung von Zellkomponenten und Herstellungsprozessen, die das Formierungsverhalten positiv beeinflussen, in Hochschule und Industrie genommen werden. Außerdem sollen Arbeitsplätze im Bereich der nationalen Zellherstellung stimuliert werden.