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VARTA Microbattery GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Die Umstellung der Energieversorgung von fossilen auf regenerative Energiequellen stellt viele Bereiche vor neue Herausforderungen. Insbesondere im Transport- und Mobilitätssektor sind die hohen Energiedichten der konventionellen Treibstoffe bisher unerreicht. Eine aussichtsreiche Alternative stellen derzeit Batterien basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie dar.
Festkörperbatterien stellen dabei eine der vielversprechendsten Technologien neuartiger Batteriegenerationen dar. Bei ihnen wird der flüssige Elektrolyt der konventionellen Lithium-Ionen-Batterie durch einen Feststoffelektrolyten ersetzt. Neben sicherheitsrelevanten Vorteilen werden so eine lösungsmittelfreie Produktion, deutlich gesteigerte Lade- und Entladegeschwindigkeiten sowie höhere theoretische Energie- und Leistungsdichten der Batteriezellen durch den Einsatz reiner Lithium-Metall-Anoden ermöglicht.
In den letzten Jahren wurde viel Forschungsarbeit in die Entwicklung neuer Feststoffelektrolyte investiert, um deren ionische Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität zu erhöhen. Neben der Materialentwicklung stellt aber auch die gezielte Strukturierung von Elektroden eine Möglichkeit dar, um elektrische und ionische Transportlimitierungen zu minimieren.
Ziel des Projekts „3D-SSB“ ist daher die Steigerung der Leistungs- und Energiedichte von Solid-State-Batterien (SSB) durch die gezielte Strukturierung von hochkapazitiven Kathoden in Kombination mit innovativen Passivierungsschichten auf Li-Metall-Anoden. Darüber hinaus soll eine Prozesskette für die skalierbare Herstellung entsprechender 3D-strukturierter bzw. passivierter Elektroden erarbeitet werden, um die technische Umsetzung für eine industrielle Zellproduktion zu evaluieren.

Für die Herstellung der 3D-strukturierten Komposit-Kathoden werden innerhalb des Projekts Verfahren zur gezielten Einstellung physikalischer und elektrochemischer Eigenschaften von Bausteinen entwickelt (AP1). Die Bausteine bestehen dabei zu unterschiedlichen Anteilen aus dem Aktivmaterial, dem Leitadditiv, dem Festkörperelektrolyten sowie ggf. einem Binder. Auf Grundlage dieses Strukturbaukastens werden innovative additive und subtraktive Verfahren zur gezielten Herstellung von zwei- und dreidimensional strukturierten Solid-State Kathoden evaluiert (AP 2 & 3).
Parallel dazu werden Struktursimulationen mittels DEM und FEM durchgeführt, um geeignete hierarchische und gradierte Strukturen zu identifizieren, die zu einer Erhöhung der Leistungsdichte der Elektrode führen, ohne dabei die mechanische Stabilität zu stark zu beeinträchtigen (AP 4).
Für die Steigerung der Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entscheidend ist die Verwendung von Li-Metall-Anoden. Um ihren Einsatz zu ermöglichen, werden innovative Passivierungsschichten entwickelt (AP 5). In Kombination mit Bindermodifikationen und Verfahren zur Herstellung dünner Separatorschichten (AP 5) werden die 3D-strukturierten Solid-State Kathoden zu hochkapazitiven SSB-Zellen weiterverarbeitet (AP 6 & 7), die eine Steigerung der Leistungsdichte gegenüber Zellen mit unstrukturierten Kathoden aufweisen. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk auf den Grenzflächen innerhalb der Kathode sowie zwischen den unterschiedlichen Zell-Komponenten (AP 6).
Zur Identifizierung einer geeigneten Prozesskette für die großtechnische Herstellung von 3D-strukturierten SSB und Passivierungsschichten für Li-Metall-Anoden wird ein Bewertungskatalog entwickelt (AP 8). Mit dessen Hilfe werden die entwickelten und eingesetzten Einzelprozesse hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit für eine industrielle Produktion bewertet.

Die Realisierung von Festkörperbatterien bietet für die Lithium-Ionen-Technologie ein großes Potential hinsichtlich Sicherheitsaspekten und höheren Energie- sowie Leistungsdichten, wovon insbesondere die Automotive-Applikationen profitieren würden. Für die Etablierung dieser Batterien stellt die Reduzierung von Transportlimitierungen in Kompositkathoden für Hochenergie-Batteriezellen sowie der Einsatz von Lithium-Metall-Anoden eine wesentliche Herausforderung dar. Darüber hinaus müssen Grenzflächenwiderstände zwischen den Materialien minimiert werden.
Durch die ganzheitliche Projektausrichtung von der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis zu den jeweilig zugeschnittenen Prozessschritten ergeben sich aus den entsprechenden Teilaspekten hohe Potenziale sowohl für die wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. Die Entwicklung von skalierbaren Verfahren für 3D-strukturierte Solid-State Kathoden mit hohen C-Raten (Schnellladefähigkeit) bei hoher Energiedichte ermöglicht einen Technologievorsprung gegenüber klassischen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Die gleichzeitige Entwicklung von verbesserten und in möglichst geringen Anteilen vorliegenden Inaktivmaterialien sowie von Passivierungsschichten für Lithium-Metall-Anoden ist für die Realisierung von Festkörperbatterien mit erhöhten Energiedichten entscheidend. Darüber hinaus ermöglichen die simulationsgestützten Struktur-Eigenschafts-Modellierungen ein tiefgreifendes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen der Elektrodenstruktur und den daraus resultierenden elektrischen und ionischen Leitfähigkeiten, die für eine hohe Leistungs- und damit verbundene Schnellladefähigkeit der Batteriezelle essentiell sind.
Weiterhin sind alle in dem Projekt berücksichtigten Elektrodenherstellungs- und Elektrodenstrukturierungsprozesse lösungsmittelfrei und weisen kurzfristig ein erhebliches Potenzial zur Kostenreduktion für eine Zellproduktion auf (verringerte Investitions- und Energiekosten). Darüber hinaus bietet die wirtschaftliche und technologische Bewertung der untersuchten Strukturierungsmöglichkeiten die Chance, kurzfristig deren industrielle Einsetzbarkeit in einer Zellfertigung fundiert zu bewerten und die geeigneten Prozesse auch für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterietechnologien zu nutzen.

3D-Strukturierung von Solid-state-Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

Frau  Julia Rieche

Standort Berlin

Conti Temic microelectronic GmbH Standort Berlin

Conti Temic microelectronic GmbH

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

In konventionellen Lithium-Ionen-Batterien werden zumeist flüssige Elektrolytsysteme verwendet. Die Porosität der Elektrode gewährleistet einen exzellenten Ionentransport im Elektrolyten durch die Elektrode. Technologisch versprechen jedoch All-Solid-State-Ansätze mit einem Festelektrolyten, der zum einen die Elektrodenporosität füllt und zum anderen als Separator zwischen Anode und Kathode fungieren kann, nie erreichte Energiedichten. Darüber hinaus verläuft die Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien konventionell aus einer Suspension der Elektrodenbestandteile in einem Lösungsmittel (nasschemisch). Das Lösungsmittel muss anschließend über energieverzehrende und kostenintensive Trockenstrecken ausgetrieben werden. Daher beschäftigen sich aktuell viele Institute, Unternehmen und andere Einrichtungen mit Konzepten für eine lösungsmittelfreie Applizierung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien. 
Über den Weg könnte die Vakuumbeschichtung – als eine Trockenbeschichtungstechnologie – für die Substitution lösungsmittelbasierter Elektrodenfertigungsprozesse in Frage kommen. Die wirtschaftlichen und strukturellen Anforderungen an Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien verhindern jedoch den Einsatz von konventionellen PVD-basierten atomaren Abscheideverfahren. Eine auf diese Art synthetisierte Elektrode würde somit nicht die Anforderungen bezüglich der Leistungsfähigkeit (Ratenfähigkeit) erfüllen. Das Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung eines neuartigem Beschichtungs- und Abscheideverfahrens zu Herstellung von Mono- und 3D-strukturierten Festkörperkathoden für All-Solid-State Batterien auf Basis der physikalischen Gasphasenabscheidung. Die Anpassung der weiteren Batteriekomponenten an die Anforderung der All-Solid-State-Batteriekathode soll durch die Grenzflächenmodifikation von Aluminiumstromsammlerfolien, Aktivmaterialpartikeln und Lithiummetallanoden mittels bestehenden und innovativen physikalischen Vakuumbeschichtungsverfahren erfolgen.

Das Teilprojekt gliedert sich in 3 Kern-Arbeitspakete. Im ersten Arbeitspaket werden die geeigneten Bausteine/Precursor für die Herstellung von All-Solid-State-Batterien, insbesondere im Hinblick auf die Eigenschaften des neuartigen Abscheideverfahrens, erkannt und entwickelt. Ein Fokus steht dabei die Entwicklung einer innovativen Vakuumtechnologie zur Funktionalisierung von Kathodenaktivmaterialpartikel mit Al2O3 und Feststoffelektrolyten, durch die eine Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit erreicht werden kann. Im zweiten Arbeitspaket erfolgt die Prozessierung der Bausteine zu einer Elektrode durch ein innovatives physikalisches Vakuumbeschichtungsverfahren. Ausgehend von Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung dünner Monoschichten werden mit dem Verfahren hochkapazitive 3D-strukturierte dicke All-Solid-State Batteriekathoden entwickelt. Im dritten Arbeitspaket werden die Inaktivmaterialien gezielt an die Anforderungen einer All-Solid-State-Batterie angepasst. 
So wird eine Funktionsschicht zur Passivierung von Lithiummetallfolien entwickelt, um evtl. auftretende Unverträglichkeiten des Feststoffelektrolyten mit der Lithium-Metallanode zu vermeiden. Zusätzlich werden Dünnschichtapplizierungsverfahren untersucht, die es ermöglichen, die Separatorschicht mit einer Dicke im Sub- bzw. Mikrometerbereich herzustellen. Durch eine dünne, aber kompakte Primer-Funktionsschicht auf dem Kathoden-Stromsammler soll die Haft- und Kontakteigenschaften zur Elektrodenschicht verbessert, der Übergangswiderstand von Metallfolie zur Kathodenschicht verringert und die ggf. stattfindende Korrosion der Aluminiumfolie verhindert werden. Alle entwickelten Komponenten, Funktionsschichten, Elektroden werden hinsichtlich ihrer Eignung durch geeignete elektrochemische Charakterisierungsverfahren bei den Verbundpartnern bewertet. Alle entwickelten Prozesse werden zusätzlich anhand einer Benchmark-Prozesskette hinsichtlich ihrer ökonomischen Eignung sowie der Integration in den Gesamtfertigungsprozess bewertet.

Durch die ganzheitliche Projektausrichtung von der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis zu den jeweilig zugeschnittenen Prozessschritten ergeben sich aus den entsprechenden Teilaspekten hohe Potenziale sowohl für die wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. Die Entwicklung eines neuartigen, lösungsmittelfreien Verfahrens zur Herstellung von Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere von All-Solid-State Kathoden, führt kurz- und mittelfristig zu einem erheblichen Technologievorsprung der am Projekt beteiligten deutschen Unternehmen gegenüber den meist asiatischen, aber auch amerikanischen Marktbegleitern. Mittel- bis langfristig kann durch die Entwicklung einer disruptiven All-Solid-State-Zelltechnologie mit gesteigerter Energie- und Leistungsdichte die Substitution der bestehenden Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere im Automobilmarkt erwartet werden. Dadurch wird der Standort Deutschland als Innovationstreiber und perspektivisch auf Produktionsstandort für automobile Batterietechnologien gestärkt. Bereits kurzfristig ist mit denen im Projektverlauf entstehenden proprietären technischen Lösungen die wirtschaftliche Verwertung durch die Fertigung von Beschichtungsanlagenlösungen in Deutschland möglich. Diese wird durch die Entwicklung von Zellkomponenten, wie der Funktionalisierung von Aktivmaterialpartikeln oder Stromsammlern bzw. dünner Feststoffelektrolytseparatoren gestützt, die bereits zur Steigerung der Performance bestehender Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden können.

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Von Ardenne GmbH

Herr  Markus Piwko

Das Projekt hat das Ziel, den praktisch abrufbaren Energiegehalt bzw. die Leistungsdichte von All-Solid-State Zellen (mit mikrostrukturierter Feststoffelektrolytkathode und Schutzsicht versehener Li-Metall Anode) deutlich zu steigern. Auch wenn sich das Projekt in erster Linie auf die Weiterentwicklung neuer Elektrodenmaterialien bzw. Elektrodengeometrien fokussiert, muss im Hinblick auf eine spätere industrielle Umsetzung von Beginn an die gesamte Prozesskette der Zellfertigung betrachtet werden. Die SITEC Industrietechnologie GmbH übernimmt im Projekt die Entwicklung von Verfahrensschritten und Technologien zur Konfektionierung der Elektroden sowie die Konzeptentwicklung zum Handling der äußerst fragilen Zwischenprodukte.
Hier besteht das erste technische Arbeitsziel darin, das Verfahren Laserschneiden so an die Materialerfordernisse anzupassen, dass Mono- und Verbundschichten aus Lithium-Metall-Verbunden und Substratwerkstoffen zugeschnitten werden können. Dafür ist es einerseits notwendig, eine Konfektionierungseinheit zu entwickeln und zu bauen, die es ermöglicht, den Laserschneidprozess unter den erforderlichen Umgebungsbedingungen durchzuführen. Andererseits sind umfangreiche technologische Untersuchungen notwendig, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln.

Eine besondere Herausforderung dürfte darin bestehen, dass die zu bearbeitenden Materialien äußerst reaktionsfreudig sind und nicht nur unter trockenen, sondern auch stickstofffreien Umge-bungsbedingungen bearbeitet werden müssen. Es wird also notwendig sein, den gesamten Prozess so zu gestalten, dass die Werkstücke vollständig unter Schutzgasatmosphäre (Argon) bearbeitet und gehandhabt werden. Dafür muss ein geeigneter Laboraufbau entwickelt und getestet werden.

Das zweite Arbeitsziel besteht darin, ein Konzept für die Handhabung und den zerstörungsfreien Transport der Feststoffelektrolytkathoden zu entwickeln. Dazu gehört auch ein Konzept für die genaue Positionierung der Elemente in einer Bearbeitungsstation. Es entsteht ein Entwurf in Form eines CAD-Modells für Transport und Zuführung der Einzelzellen bzw. Zwischenprodukte. Zusätzlich sind mechanische und datentechnische Schnittstellen für die gesamte Schichtherstellungsprozesskette zu konzipieren, deren Entwicklung Gegenstand des Gesamtprojekts ist.

Das Arbeitspaket Verfahrensentwicklung für Elektrodenkonfektionierung wird in die folgenden Unterarbeitspakete unterteilt:
•	Entwicklung einer Konfektionierungseinheit unter erforderlichen Umgebungsbedingungen

•	Entwicklung Laserschneidverfahren für Mono- und Verbundschichtenschnitt

•	Evaluierung laserbasierter Lithium-Metall- und Substratzuschnitt

•	Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Für die Entwicklung des Laserschneidverfahrens ist es notwendig, einen Laboraufbau zu schaffen, der die Bearbeitung der Proben unter Schutzgas (Argon) ermöglicht. Da Argon ein – vor allem im Vergleich zu Stickstoff – relativ teures Gas ist, muss durch den Einbau von Schleusen verhindert werden, dass bei jedem Probenwechsel der gesamte Bearbeitungsraum neu leergepumpt und geflutet werden muss.
Das Arbeitspaket „Zerstörungsfreie Handhabung fragiler Zwischenprodukte“ befindet sich im absoluten Anfangsstadium, da derzeit einzelne Proben zwischen Papierschichten eingeschweißt transportiert werden, was nicht annähernd industrietauglich ist. Das Arbeitspaket wird in die folgenden Unterarbeitspakete unterteilt:

•		Konzeptentwicklung zur Handhabung der Feststoffelektrolytkathoden

•		Konzeptentwicklung einer präzisen zerstörungsfreien Positionierung

•		Schnittstellendesign der ges. Schichtherstellungsprozesskette

Nach Einschätzung der Mitglieder der „Nationalen Plattform Elektromobilität“ ist mit einer schrittweisen industriellen Einführung der Produktion von All-Solid-State-Batterien nicht vor 2025 zu rechnen. Dazu kommt, dass nicht wirklich absehbar ist, ob die Leistungsdichten, die im Labormaßstab erreicht werden, auch großtechnisch realisierbar sind. Andererseits ist SITEC als Sonderanlagenbauer für hochkomplexe Montage- und Bearbeitungsanlagen schon seit einigen Jahren bestrebt, den durch den Wandel der Automobil-Antriebstechnik hervorgerufenen voraussichtlichen Wegfall einiger bisheriger Kunden durch die Erschließung neuer Märkte zu kompensieren. Neben ersten Forschungsprojekten zu neuen Technologien konnte das Unternehmen erste Industrieaufträge im Bereich Batteriefertigung und Brennstoffzellenfertigung akquirieren. Das vorliegende Projekt stellt einen weiteren Schritt dar, um frühzeitig produktionstechnische Entwicklungen nicht nur zu beobachten, sondern aktiv mitzugestalten. Die langfristige Verwertungsperspektive sieht für SITEC so aus, dass das Unternehmen sich als Anbieter für Anlagen zur Zell- und Modulfertigung am Markt etabliert.

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SITEC Industrietechnologie GmbH

Herr Dr. Viet Duc Nguyen

Das Gesamtvorhaben zielt darauf ab, Batterien mit dreidimensional strukturierten dicken Elektroden aufzubauen. Der Fokus der Entwicklungen liegt auf dem Materialbaukasten, mit dem möglichst hocheffiziente Elektroden aufgebaut werden sollen, sowie der additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung dieser Elektroden aus den selektierten Materialien.
LPKF unterstützt das Gesamtvorhaben mit additiven und subtraktiven Laserstrukturierungsverfahren. Dabei spielt es eine große Rolle, dass die Einwirkung der Laserstrahlung die Batteriematerialien in ihren Eigenschaften möglichst wenig beeinflusst. Zudem können bei den Wechselwirkungsprozessen gefährliche Zersetzungsprodukte entstehen, die nicht in die Umwelt gelangen sollen. Die Prozesssicherheit ist daher ein weiteres Ziel von LPKF.

Dazu muss ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie speziell für die ausgewählten Batteriematerialien gewonnen werden. Darauf aufbauend werden die Laserprozesse eingesetzt, um dreidimensional strukturierte Elektroden aufzubauen und zu charakterisieren.

Als additives Verfahren hat LPKF das Lasersintern ausgewählt. Dabei werden pulverförmige Materialien mit einem geeigneten Laserstrahl verdichtet und zum Teil angeschmolzen, um eine zusammenhängende Schicht zu erzeugen. Dies kann flächig oder selektiv geschehen, so dass Schicht für Schicht eine 3D-Struktur aufgebaut werden kann. Beim Sintern wird in der Regel das Material nicht aufgeschmolzen, was eine Veränderung der Materialeigenschaften verhindern sollte. Allerdings ist es nicht mit allen Materialien möglich, ohne Aufschmelzen eine zusammenhängende Schicht zu erzeugen. LPKF wird insbesondere untersuchen, inwieweit das Schmelzen der Pulverpartikel eine (irreversible) Veränderung der Eigenschaften hervorruft und wie dies vermieden werden kann.
Zusätzlich untersucht LPKF den subtraktiven Laserabtrag, der einsetzt wird, um einzelne Schichten und Schichtsysteme selektiv abzutragen und so die dreidimensionale Strukturierung zu erzeugen. Dabei spielt es eine große Rolle, dass sich das abgetragene Material nicht wieder auf der Probe absetzt und die Randbereiche nicht beschädigt werden. Zudem können gefährliche Zersetzungsprodukte entstehen, die abgesaugt und gefiltert werden müssen. Daher baut LPKF eine Prozesseinheit auf, für die die Schutzgasatmosphäre und eine geeignete Absaugung vorgesehen sind.

LPKF unterstützt die Charakterisierung der bearbeiteten Materialien mit eigener Messtechnik, baut die eigenen Entwicklungen aber im Wesentlichen auf der funktionalen Charakterisierung durch die Institute auf.

Die dreidimensional strukturierten Elektroden werden verwendet, um Batteriezellen aufzubauen und den Nutzen des Konzepts zu demonstrieren. Dabei sollen Energie- und Leistungsdichte der Zellen gesteigert werden.
Die Lasertechnik weist großes Potenzial für den Einsatz in der Batteriefertigung auf. Für LPKF bietet das Projekt die Möglichkeit, Erfahrungen technologischer und wirtschaftlicher Natur zu sammeln. LPKF plant, aufbauend auf den Projektergebnissen eine interne Produktentwicklung durchzuführen, in der der Prototyp einer anwendungsorientierten Laseranlage für das selektive Sintern und die subtraktive Strukturierung entwickelt und aufgebaut wird.

LPKF Laser & Electronics AG

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LPKF Laser & Electronics SE

Presse & Öffentlichkeitsarbeit

Herr Dr. Malte Schulz-Ruhtenberg

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen gegenwärtig eine entscheidende Rolle auf dem Gebiet der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung; insbesondere bietet keine andere Batterietechnologie eine vergleichbare Kombination aus Energiedichte und Lebensdauer.
Technologisch vereinen All-Solid-State Ansätze hohe Energiedichten mit maximaler Zellsicherheit, jedoch werden bei Verwendung von Feststoffelektrolyten besondere Anforderungen z.B. an die ionische Leitfähigkeit gestellt. Letztere ist essentiell, insbesondere zur Realisierung von Schnellladeanwendungen und zur Steigerung der Systemenergiedichte. Im Rahmen dieses Projektes soll die praktisch abrufbare Energiedichte durch Mikrostrukturierung der Kathode einerseits und der Verwendung einer Li-Metall Anode mit optimierter Passivierungsschicht andererseits signifikant gesteigert werden. Auf Basis gängiger Materialien wird das Konsortium additive und subtraktive Prozesse (Laserstrukturierung) zur gezielten zwei- und schließlich dreidimensionalen Strukturierung der Feststoffelektrolytkathode definieren und einen sogenannten Elektrodenstrukturbaukasten für unterschiedliche Anwendungen bereitstellen. Die besonders enge Verzahnung von Material- und Prozesstechnologie zielt auf eine Optimierung der praktisch erzielbaren Energie- und Leistungsdichte ab. Ein besonderer Fokus des MEET wird auf der Analyse von Ober- und Grenzflächen sowie der Auswahl der Inaktivmaterialien liegen, da deren strukturelle und chemische Eigenschaften die Transportprozesse in der Feststoffzelle maßgeblich prägen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden nicht nur in die Simulationen zur Eigenschaftsprädiktion einfließen sondern auch fortlaufend an die prozesstechnologisch arbeitenden Projektpartner zurückgespiegelt. Dank der projektinternen Kooperation von Materialherstellen, großen und mittelständischen Unternehmen im Bereich der Prozesstechnik sowie eines Zellherstellers und der Expertise der Forschungsinstitute soll die Wertschöpfungskette der Zellentwicklung ganzheitlich, beginnend mit der Materialentwicklung über die Elektrodenherstellung bis hin zur Zellfertigung abgebildet werden.

Aufgrund ihrer – im Vergleich zu organischen Flüssigelektrolyten – relativ geringen ionischen Leitfähigkeiten beschränkt sich der Einsatz von Feststoffsystemen bisher hauptsächlich auf Dünnschichtanwendungen, bei denen sehr kurze Diffusionswege auftreten. Zur erfolgreichen Anwendung von Festelektrolytkathoden müssen mit ausreichender ionischer Leitfähigkeit, ausreichender elektrochemischer Stabilität (insbesondere gegenüber metallischem Lithium), adäquaten mechanischen Eigenschaften (z. B. Duktilität für die Verarbeitung) und der Wirtschaftlichkeit des Hochskalierens vielfältige Bedingungen für den Einsatz eines Materials als Feststoffelektrolyt erfüllt sein. Mit den oxidischen Ionenleitern LATP und LLZO sowie mit Polyethylenoxid (PEO) kommen im Rahmen des Projektes diverse Materialen zum Einsatz. Für den Betrieb der Zelle sind Ausprägung und Stabilität der Grenzflächen, etwa zwischen Feststoffelektrolyt und Lithiumanode von zentraler Bedeutung. Zur Optimierung der Herstellungs- und Betriebsparameter und damit zur Entwicklung eines verbesserten Zellsystems sind begleitende Simulationen unerlässlich. Mittels Implementierung experimentell gewonnener Daten (z. B. Partikelgröße, Porosität, ionische Leitfähigkeit, interne Widerstände, …) lassen sich Li+-Transportmechanismen evaluieren und Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen ableiten. Ein wesentlicher Bestandteil des Teilprojektes ist daher die experimentelle Unterstützung der theoretisch orientierten Partner mit dem Ziel der sukzessiven Material- und Prozessoptimierung unter Einsatz vielfältiger analytischer Methoden (Produktcharakterisierung). Ein Screening alternativer, zu den vorgesehenen Aktivmaterialien kompatibler Feststoffelektrolyte, sowie die Entwicklung effizienter Passivierungsschichten für die hochreaktive Lithiumanode und Grenzschichtbetrachtungen zur Identifikation von Transportlimitierungen sind weitere Kernaufgaben in diesem Teilprojekt. Die Arbeiten zielen letztlich auf den Aufbau und die Charakterisierung von Zell-Funktionsmustern auf Basis der im Projektverlauf entwickelten Materialien und Elektroden ab.

Dank der umfassenden Projektausrichtung beginnend bei der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis hin zu den jeweiligen optimierten Prozessschritten ergeben sich große Potentiale sowohl für die wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. So wird mit dem Einsatz neuartiger Materialien mit optimierten elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften die Grundlage zum Aufbau von neuartigen Feststoffzellen basierend auf strukturierten All-Solid-State Kathoden gelegt, mit dem Ziel erhöhte Energiedichten auch bei hohen C-Raten zu realisieren (Schnellladefähigkeit). Bei erfolgreichem Projektverlauf soll die Vermarktung neuartiger Binder- und Passivierungsschichten sowie neuartiger (strukturierter) Feststoffelektrolyte mit optimierter ionischer Leitfähigkeit zu einem Technologiesprung und damit einem Wettbewerbsvorteil der beteiligten deutschen Unternehmen gegenüber den ausländischen Konkurrenten führen. Vor dem Hintergrund der Hochskalierung spielt die lösungsmittelfreie Prozessführung mit ihrem Potential zur Reduktion von Investitions- und Energiekosten eine wesentliche Rolle zur Stärkung einer künftigen Zellfertigung in Deutschland. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass auch die Schaffung neuer Arbeitsplätze im Bereich der Materialhersteller sowie des Anlagen- und Maschinenbaus in Deutschland begünstigt wird.
Auf wissenschaftlicher Seite wird eine unmittelbare Veröffentlichung der zentralen Resultate in Fachzeitschriften und auf internationalen Konferenzen angestrebt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse noch während der Projektlaufzeit als Ausgangspunkt für die Beantragung neuer Forschungsprojekte dienen und in die universitären Lehrveranstaltungen einfließen. Somit ist gewährleistet, dass Nachwuchswissenschaftler auf technologisch höchstem Niveau ausgebildet werden, was seinerseits zur Stärkung des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandortes Deutschland beitragen wird

Westfälischen-Wilhelms-Universität Münster

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Universität Münster

Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

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MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Kommunikation & Öffentlichkeitsarbeit

Universität Münster MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Herr Prof. Dr. Martin Winter

Prof. Dr.

Die Elektromobilität hat sich weltweit zu einem essentiellen Thema entwickelt, in dem Deutschland eine führende Rolle übernehmen will. Da der elektrische Speicher über 90 % des Gewichts, des Volumens sowie der Kosten des elektrischen Antriebsstranges ausmacht, liegt der größte Fokus der aktuellen Forschung und Entwicklung auf der Erhöhung der Energiedichte, der Verbesserung der Schnellladefähigkeit und der Verringerung des Preises von Lithium-Ionen-Batterien. Als aktuell revolutionärste Weiterentwicklung des klassischen Lithium-Ionen Batteriesystems wird die Solid-State Technologie angesehen mit der die Energie- und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Verbesserung der Sicherheitseigenschaften gesteigert werden kann.
Nachdem die Materialforschung vielversprechende Feststoffelektrolyte entwickelt hat, liegt der Fokus des Projekts „3D-SSB“ auf der Entwicklung von skalierbaren Produktionsverfahren für Solid-State-Batterien. Zur Steuerung der Batterieeigenschaften (Energiedichte, Kosten, Sicherheit, etc.) müssen Produktionsverfahren entwickelt und gezielt für das Produktdesign der Batterie eingesetzt werden.

Die wissenschaftlichen Ziele der Institute der BLB liegen vor allem in der Erweiterung des Systemverständnisses von Solid-State-Batterien und den dazugehörigen Herstellungsprozessen von feststoffelektrolytbasierten Elektroden. Eine der wesentlichen Herausforderungen von Festkörperbatterien stellen Transportlimitierungen dar, die durch hohe Grenzflächenwiderstände oder begrenzte ionische Leitfähigkeiten auftreten können. Daher sollen über gezielte Strukturierungsmaßnahmen innerhalb der hochkapazitiven Komposit-Kathoden sowie die Entwicklung von Passivierungs- und Kontaktvermittlungsschichten zwischen den einzelnen Komponenten der Batterie, Lösungen entwickelt werden.

Um eine skalierbare Strukturierung von festkörperelektrolytbasierten Komposit-Kathoden zu ermöglichen, soll ein Strukturbaukasten mit unterschiedlichen Bausteinen entwickelt werden, deren physikalische und elektrochemische Eigenschaften gezielt eingestellt werden können. Hierfür werden Verfahrensentwicklung zum Einfluss der Materialrezeptur sowie der Prozessierung auf die Bausteineigenschaften und die elektrochemische Performance der aus ihnen aufgebauten Batteriezellen durchgeführt.
Für die Weiterverarbeitung der Bausteine zu Elektroden sollen unterschiedliche Prozessrouten entwickelt und in der BLB aufgebaut werden. Als additives Fertigungsverfahren soll eine SLS-Anlage für polymerbasierte Elektrolyte realisiert werden. Zusätzlich soll die Basis für eine SLS-Anlage für die oxidischen Elektrolyte in Form eines automatisierbaren Pulverbetterzeugungsprozesses sowie einer Prozessparameterstudie für das selektive Lasersintern gelegt werden.

Darüber hinaus soll die Etablierung von FEM- und DEM-Simulationsumgebungen auf Elektroden- und Ruß-Feststoffelektrolyt-Ebene, welche das mechanische Verhalten und den Ionen- und Elektronentransport beschreiben, Vorhersagen der Performance des Endprodukts Batteriezelle ermöglichen.

Neben der Elektrodenentwicklung wird auch die Entwicklung der inaktiven Zellkomponenten forciert. Dazu werden neben der Passivierung der Lithium-Metall-Anode, zur Erhöhung der elektrochemischen Stabilität, möglichst dünne Separatoren auf Feststoffelektrolytbasis entwickelt. Außerdem sollen Bindermodifikationen durchgeführt werden, um eine ausreichende mechanische Stabilität der strukturierten Elektroden zu gewährleisten.

Durch die Kombination der vorangegangenen Teilentwicklungen sollen Zellkonzepte einer hochenergetischen Solid-State-Batteriezelle mit erhöhter Leistungsdichte entwickelt und umgesetzt werden. Für die Charakterisierung werden tiefgehende physikalische und elektrochemische Analysen von 3D-strukturierten Komposit-Kathoden sowie von Solid-State-Batteriezellen durchgeführt.

Für die Etablierung der Festkörperbatterie in der Anwendung ist deren kostengünstige und skalierbare Herstellung von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus müssen aktuelle Herausforderungen hinsichtlich auftretender Transportlimitierungen (Schnellladefähigkeit/ Leistungsdichte) sowie elektrochemischer Beständigkeit gegenüber reinen Lithium-Metall-Anoden (Energiedichte) gelöst werden.
Die in dem Teilprojekt adressierten Untersuchungen können für die Bearbeitung dieser Herausforderungen einen wesentlichen Beitrag leisten. Das Verständnis zu verschiedenen möglichen Strukturierungen mittels eines Materialbaukastens, der aus mehreren Bausteinen mit unterschiedlichen physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften besteht, stellt einen Wissenszuwachs dar, der für die skalierbare Herstellung von strukturierten und damit leistungsfähigeren Hochenergie-Kompositkathoden erforderlich ist. Zusammen mit der Modellierung der 3D-strukturierten Elektroden und der Simulation ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften kann ein tiefgreifendes Verständnis für die Potentiale, die sich durch eine Strukturierung der Elektrode ergeben, aufgebaut werden. Diese sorgt durch wissenschaftliche Veröffentlichungen und den direkten Bezug zur Lehre dafür, den Forschungsstandort Deutschland zu stärken.

Zusätzlich bilden die Untersuchungen zur Modifizierung der Inaktivmaterialien für die mechanische Stabilität sowie die chemische Kompatibilität der Komponenten die Möglichkeit neue Zellkonzepte zu realisieren. Diese haben das Potential hochenergetische Solid-State-Batteriezellen mit erhöhter Leistungsdichte zu ermöglichen. Bei allen in dem Teilprojekt durchgeführten Produkt- und Verfahrensentwicklungen wird großer Wert auf die Skalierbarkeit der Ergebnisse gelegt, um einen relevanten Beitrag für eine industrielle Zellfertigung leisten zu können.

Laufzeit	01.05.2020 - 30.09.2022
Ausführende Stelle	VARTA Microbattery
Standort	Ellwangen (Jagst)
Fördersumme	212.688,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

Standort Berlin

Von Ardenne GmbH

SITEC Industrietechnologie GmbH

LPKF Laser & Electronics SE

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Battery LabFactory Braunschweig