Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode

Ziel des Projekts ProFeLi ist eine umfassende produktionstechnische Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette für die Herstellung von Festkörperbatterien. Dabei sollen anodenseitig die Herstellung und Verarbeitung von dünnen Lithium-Metall-Schichten und Schutzschichten erforscht werden, wohingegen für Kathoden und Festelektrolyte die Untersuchung von Mehrschichtsystemen im Vordergrund steht. Des Weiteren sollen Stapel- und Gehäusekonzepte für Festkörperbatterien mit bipolarem Zellstapeldesign entwickelt werden, wobei die Volumenausdehnung der Aktivmaterialien während des Lade- und Entladevorgangs eine große Rolle spielt und simulationsgestützt berücksichtigt werden soll. Am Ende des Projektes ist der Aufbau eines Funktionsdemonstrators geplant, mit der notwendigen Anlagentechnik zur Zellassemblierung und den hergestellten Festkörperbatterien, die anhand automobiler Anforderungen getestet werden sollen.

Ziel des Forschungszentrums Jülich ist hierbei die erfolgreiche Verfahrensentwicklung zur Herstellung von dichten und porösen Batteriekomponenten. Dies beinhaltet einerseits eine reproduzierbare Herstellung der Ausgangspulverqualität als auch die reproduzierbare Schlickerherstellung für den Foliengießprozess und die Definition der Prozessparameter für das Gießen, Trocknen und Sintern der Komponenten. Die für die Batterieherstellung wichtigen mechanischen Eigenschaften der zelltragenden Komponenten werden in diesem Projekt ermittelt und werden einen wesentlichen Erkenntnisgewinn für die Realisierungsmöglichkeiten von Festkörperbatterien liefern.

Für das Projekt wird Li1,5-Al0,5-Ti1,5-(PO4)3 (LATP) als Festkörperelektrolyt in ausreichenden Mengen und mit einem gleichbleibenden Verfahren synthetisiert, um eine konstante Pulverqualität für den zu untersuchenden Foliengieß- und Sinterprozess zu verwenden. Die einzelnen Chargen werden einer Qualitätskontrolle im Hinblick auf Pulvereigenschaften und Leitfähigkeit im gesinterten Zustand unterzogen.

Der Schwerpunkt der Arbeiten ist die Entwicklung eines skalierbaren Foliengießprozesses für die Herstellung dichter und poröser Festelektrolytschichten. Die Prozessparameter für den Gießprozess, die Trocknung und die Sinterung werden durch eine umfassende begleitende Charakterisierung optimiert. Dabei sollen einerseits dichte einlagige, freitragende Schichten hergestellt werden, die in den geplanten Modellzellen getestet werden sollen. Andererseits sollen zweilagige Schichten hergestellt werden, bei denen die zweite Schicht eine poröse Schicht umfasst, für die geeignete Porenbildner während des Foliengießprozesses eingearbeitet und optimiert werden müssen. Anschließend werden die Poren mit Kathodenaktivmaterial gefüllt und diese Halbzellen für weitere Prozessschritte den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.

Diese Arbeiten sollen bezüglich der Größe der Elektrolytschichten hochskaliert werden, um möglichst eine Elektrodenfläche von 10 x 10 cm² zu realisieren. Die erreichbare Zellgröße hängt im Wesentlichen von den mechanischen Eigenschaften und der Dicke des Festelektrolyten ab. Daher werden die mechanischen Kennwerte von dichten Referenzproben und porösen Schichten mit lokalen nano-/mikro-Härteeindrucksmethoden und Biegetests ermittelt. Hinsichtlich elastischer Verformung und Grenzen derselben werden Härteeindruck-Methoden im Vordergrund stehen, die neben einer entwicklungsbegleitenden Rückkoppelung, einen komplementären Input in Analyse und Simulation von Spannungszuständen erlauben. Die risswachstumsrelevante Risszähigkeit wird bestimmt, um Aussagen zur Festigkeit als auch zu Versagenswahrscheinlichkeiten zu erhalten.

Festkörperbatterien sollen das Potenzial haben, in ihren einzelnen Eigenschaften mindestens die durch die nationale Plattform für Elektromobilität definierten Ziele für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien für die Jahre nach 2020 zu erfüllen. Dies ist für Festkörperbatterien eine besondere Herausforderung, da noch eine Reihe von werkstofftechnischen Problemen wie z. B .die zuverlässige Verwendung von Lithiummetall als Anode und die Zyklenstabilität von Kompositkathoden zu lösen sind. Mit dem Teilvorhaben wird ein Beitrag geleistet, um Deutschland als Technologiestandort für zukünftige Batteriegenerationen zu etablieren.

Das in diesem Projekt generierte Kernwissen zur Herstellung von Festelektrolyten und Feststoffbatterien soll dazu beitragen, Festkörperelektrolyte und andere Batteriematerialien kommerziell verfügbar zu machen, da es derzeit nur wenige Hersteller weltweit gibt.