Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode

In den aktuell im Bereich der Elektromobilität dominierenden Lithium-Ionen Zellen stellt ein flüssiger Elektrolyt die ionische Leitfähigkeit innerhalb der porösen Elektroden sicher. Durch die Substitution der brennbaren Elektrolytflüssigkeit durch einen Festkörper-Ionenleiter kann die Sicherheit von Festkörperbatterien im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Zellen extrem verbessert werden. Eine dichte Festelektrolytschicht verringert zudem die Gefahr des Wachstums von Lithium-Dendriten und daraus resultierenden zellinternen Kurzschlüssen und ermöglicht so den Einsatz von reinem Lithium-Metall als Anode. Aufgrund der deutlich höheren spezifischen Energie von Lithium-Metall-Anoden in Relation zu den bisher verwendeten Interkalationselektroden (Lithium lagert sich während dem Betrieb auf leere Gitterplätze ein und aus) kann eine erhebliche Steigerung der Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Zellen erreicht werden. Trotz vielversprechender Ergebnisse im Labormaßstab gibt es aktuell nur wenige veröffentlichte Arbeiten zur Hochskalierung dieser Technologie in einen Technikums- oder Industriemaßstab. Daraus ergibt sich das Gesamtziel des Teilprojekts der Technischen Universität München (TUM) im Rahmen des Forschungsprojekts ProFeLi, welches eine umfassende produktionstechnische Betrachtung der Herstellung von Festkörperbatterien thematisiert. Als Ausgangsbasis dient die Modellierung von Grenzflächenphänomenen in Festkörperbatterien mit Li-Metall Anode zur Simulation der elektrochemisch-mechanischen Vorgänge auf Komponenten- und Zellebene. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Entwicklung von Zell-, Stapel- und Gehäusekonzepten für Festkörperbatterien, die insbesondere die Volumenausdehnung der Zellstapel im Betrieb sowie die notwendigen Anpressdrücke zur Herstellung der Leitfähigkeit berücksichtigen. Im Vordergrund der Untersuchungen steht hierbei neben der Funktionalität des Gehäuses die Auslegung eines fertigungs- und montagegerechten Stapeldesigns, das nach Möglichkeit einen bipolaren Zellaufbau ermöglicht. Nach Vorversuchen zu geeigneten Trenn-, Füge- und Handhabungsverfahren für die verwendeten Einzelkomponenten, steht als finales Ziel des Teilprojekts der Aufbau eines Funktionsdemonstrators zur Herstellung von Festkörperbatterien und die damit einhergehende Validierung der vorangegangenen Arbeitsergebnisse.

Das Gesamtziel des Teilprojekts wird durch die folgenden Arbeitsinhalte präzisiert. Die Modellierung und Simulation der Grenzflächenphänomene zwischen den einzelnen Zellkomponenten wird vom Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichersysteme der TUM durchgeführt. Nach einer Mach-barkeitsstudie zur Modellierung der Volumenänderung von Lithium-Metall-Anoden in elektrochemischen Modellansätzen wird ein geeignetes Simulationsmodell aufgebaut. Es gilt dabei, die Anforderungen und spezifischen elektrochemisch-mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen, in Festkörperbatterien verwendeten Materialsysteme, zu berücksichtigen. Ziel ist es, mithilfe einer mechanischen Charakterisierung Aussagen über die Volumenausdehnung der Gesamtzelle treffen zu können. Daraus werden Empfehlungen für die Entwicklung eines geeigneten Zell- und Gehäusedesigns abgeleitet. Weiterhin stellt die Verarbeitung von metallischem Lithium die Produktionstechnik aufgrund der hohen Reaktivität und Adhäsion vor besondere Herausforderungen. Das Teilprojekt zielt darauf ab, aus Untersuchungen zur Verarbeitung von Li-Metall-Schichten sowie deren Integration in Festkörperzellen in Form einer Lithium-Metall-Anode eine Wissens- und Kompetenzbasis zu erarbeiten. Diese wird um Forschungsansätze zu geeigneten Schutzschichten sowie zur Verarbeitbarkeit von Multimaterialsystemen und verschiedenen Festelektrolyten erweitert. Auf dieser Basis erfolgen die Konzeption und der Aufbau einer Schneidanlage zur Konfektionierung und einer Montageanlage zur Handhabung der empfindlichen Schichten und Zellstapelbildung. Diese dienen im weiteren Verlauf als Prototypen für die Entwicklung eines Funktionsdemonstrators zur Herstellung von Festkörperbatterien. Die Entwicklung von Sicherheits- und Qualitätsmanagementkonzepten in der Produktion sowie für den Betrieb von Festkörperbatterien erfolgt parallel und stellt einen weiteren Arbeitsinhalt des Teilprojekts dar.

Die industrielle und gesellschaftliche Relevanz des Vorhabens für die TUM begründet sich durch die Generierung von Material- und Prozessverständnis für die Herstellung und Hochskalierung von Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode. Dieses Wissen kann anschließend als Grundlage zum Aufbau einer Pilotfertigung für Festkörperbatterien dienen und somit dazu beitragen, die Technologiereife innovativer Festkörperbatterien zu erhöhen. Damit wird der Weg für die Industrialisierung dieser vielversprechenden Technologie geebnet und gleichzeitig Verständnis zu den einzelnen Komponenten und Prozessschritten innerhalb der Zellfertigung von Festkörperbatterien aufgebaut. Ein Durchbruch dieser Batterietechnologie stellt aufgrund der prognostizierten höheren volumetrischen Energie- und Leistungsdichte sowie der erhöhten Betriebssicherheit einen wichtigen Baustein für den Erfolg der Elektromobilität dar. Die damit einhergehende Befähigung der Zulieferkette in Deutschland (insbesondere des Maschinen- und Anlagenbaus) dient zur Stärkung des Industriestandorts Deutschland. Die im Projekt erarbeiteten Forschungsergebnisse werden in wissenschaftlichen Veröffentlichungen und über nationale sowie internationale Konferenzen der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Batteriezell- und Energiespeicherforschung zugänglich gemacht. Weiterhin steht die Ausbildung von Fachkräften und Experten in diesem zukunftsträchtigen Bereich in direktem Zusammenhang mit dem Forschungsvorhaben. Die erarbeiteten Ergebnisse können mit in das Lehrangebot an der Technischen Universität München eingebunden werden, wodurch die studentische Ausbildung im Bereich der Batterieproduktion weiter vertieft werden kann.