Entwicklung von hocheffizienten Lithium-Ionen-Batterien für elektrische Fahrzeuge

Das Ziel des Projektes BMBF:SHELION ist die Untersuchung von Elektrodenmaterialien mit dem Fokus auf der Entwicklung von Zellen mit Energiedichten oberhalb von 200 Wh/kg. Weiterhin sollen die Zellen eine möglichst hohe Leistung generieren und gleichzeitig kostengünstig herstellbar, sicher und umweltfreundlich sein. Silicium als Anodenmaterial weist eine deutlich höhere theoretische Kapazität (4200 mAh/g) im Vergleich zu kohlenstoffbasierten Anodenmaterialien (372 mAh/g) auf. Die Herausforderung besteht nach wie vor in der Zyklenstabilität, welche durch die starke Volumenänderung während des Zyklens limitiert ist.

Um dem Ziel einer kostengünstigen Herstellbarkeit und gleichzeitiger Umweltfreundlichkeit gerecht zu werden, ist Lithiumeisenphosphat ein adäquater Kandidat auf der Kathodenseite. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Realisierung von Elektroden mit möglichst hoher Flächenbeladung, um der hohen spezifischen Kapazität der Siliciumanoden gerecht zu werden. Das Aktivmaterial Lithiumeisenphosphat wird hierzu unter Zugabe von Binder und Leitkohlenstoff mittels eines Pastenverfahrens auf ein Ableitermaterial beschichtet.

Die Siliciumelektroden werden über ein Hochfrequenz-Sputterverfahren hergestellt und auf möglichst hohe Beladung und Zyklenstabilität optimiert. Zur elektrochemischen Charakterisierung werden mehrlagige Pouchzellen verwendet. Die Realisierung einer adaptierten Pouchzell-Technologie bildet den Inhalt eines weiteren Arbeitspakets.

Das Projekt zielt darauf ab, eine Zelle zu entwickeln, die mit mehr als 200 Wh/kg eine höhere Energiedichte aufweist als State-of-the-art-Lithium-Ionen-Zellen. Außerdem wird der Fokus auf Materialinnovationen gelegt, insbesondere bei den Anoden- und Kathodenmaterialien, die mit industriellen Standardverfahren hergestellt werden sollen oder zumindest mit Methoden, die in einer bereits bestehenden Fertigungslinie implementiert werden können, wobei auch die bereits existierenden Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden. Dadurch ist die Zelle in Bezug auf die Herstellungskosten wettbewerbsfähig. Die Umweltverträglichkeit der Materialien erleichtert zudem die Handhabung sowie die spätere Entsorgung der Zellen.