Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode

Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele dieses Teilvorhabens lassen sich in zwei Kategorien aufteilen. Die erste Kategorie beinhaltet die Erforschung und Entwicklung, sowie den anschließenden Aufbau eines Produktionsprozesses für die Herstellung von Lithium-Metall-Folie. Dieser muss die Anforderungen hinsichtlich der geometrischen und chemischen Anforderungen an zukünftige Festkörperbatterien erfüllen. Der Einsatz von Lithium-Metall als Anode in Festkörperbatterien, um die Energiedichte gegenüber Lithium-Ionen-Zellen bzw. Batterien deutlich zu steigern, damit die wirtschaftlichen Anforderungen erfüllt werden, die bereits heutzutage von den Automobilherstellern und Automobilzulieferern gestellt werden und zukünftig weiter steigen werden, wird innerhalb dieses Vorhabens evaluiert. Zur zweiten Kategorie zählen die Entwicklung und der anschließende Aufbau eines demonstratorischen Handhabungsprozesses für die Zellfertigung/-assemblierung und deren Evaluierung zur Verarbeitung von adhäsivem, reaktivem Lithium-Metall für Festkörperzellen bzw. Batterien mit Lithium-Metall als Anode. Beim gesamten Assemblierungs- und Handhabungsprozess sollen insbesondere die geometrischen und chemischen Anforderungen aus dem Herstellungsprozess der Lithium-Metall-Folie erhalten bleiben und Deformationen oder chemische Reaktionen unterbunden werden. Herausfordernd stellt sich der aktuelle Stand des Markts von Maschinen- und Anlagentechnik für Festkörperbatterien dar. Dieser wird heutzutage nur unzureichend bedient und beschränkt sich ausschließlich auf manuelle Lösungen, die aus produktionstechnischer Sicht aufgrund von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und sicherheitstechnischen Aspekten ungeeignet sind. Durch den Aufbau des Produktionsprozess sowie die Entwicklung eines Handhabungsprozesses für die Zellfertigung/-assemblierung soll dieses Defizit angegangen werden, um so in naher Zukunft markttaugliche Produktionsanlagen für die Festelektrolytbatterieherstellung zu realisieren.

Innerhalb dieses Teilvorhabens lassen sich verschiedene Arbeitsschwerpunkte identifizieren. Einer dieser Schwerpunkte ist die Entwicklung innovativer Stapelkonzepte für Festkörperbatterien. Primär basierend auf den Prozessanforderungen der Herstellung der Lithium-Metall-Folie, des Schneidens, des Stapelns und des Kontaktierens soll ein bipolares Stapelkonzept entwickelt sowie auf montagegerechtes Design überprüft werden. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Entwicklung von Prozesslösungen für das Walzen, das Schneiden und die Handhabung der Lithium-Folie sein. Zum jetzigen Zeitpunkt stellen insbesondere die Bahnführung (Bahnspannung und –vorschub der Lithium-Folie) und die Messung der Foliendicke sowie das Schneiden Herausforderungen dar, die innerhalb dieses Arbeitspakets evaluiert werden müssen. Basierend auf den verschiedenen Versuchsergebnissen, welche im kleinen Maßstab erzeugt werden, wird ein weiterer zentraler Arbeitspunkt die Hochskalierung und der Aufbau von Prototypanlagen sein. Hierbei soll ein Demonstrator für die Verarbeitung von Lithium-Metall-Anoden sowie eine Schneid- und Stapelanlage entstehen. Mit den aufgebauten Demonstratoren sollen zur Validierung die notwendigen Materialien hergestellt werden und Stapel mit den zuvor hergestellten Materialien bzw. Materialschichten aufgebaut werden. Diese Stapel werden elektrisch kontaktiert und in das Gehäuse eingesetzt, sodass diese einem Ausgangstest unterzogen werden können. Der letzte Arbeitsschwerpunkt wird darin bestehen, Mithilfe der gewonnenen Erfahrungswerte eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die Herstellung von Festkörperbatterien zu vollziehen. Hierbei wird vor allem Augenmerk auf die Maschinen- und Betriebskosten gelegt.

Die Thematik des Teilvorhabens ist von höchster industrieller Relevanz, da bis jetzt ein großer Teil der eingesetzten Batteriesysteme auf Lithium-Ionen-Basis produziert wird und sich zunehmend herausstellt, dass diese Produkte den steigenden Anforderungen – besonders der europäischen Automobilhersteller – hinsichtlich Energiedichte nicht genügen. Um eine Steigerung der Energiedichte zu erzielen, sind große Anstrengungen aus Forschung und Industrie notwendig. Durch den Einsatz von Lithium-Metall-Folie als Anode ist eine Steigerung der Energiedichte bei gleichzeitig verbesserter Sicherheit durch den Wegfall der Elektrolytflüssigkeit möglich. Während konventionelle, großformatige Lithium-Ionen-Zellen vorwiegend in Asien gefertigt werden, bietet ein disruptiver Sprung zu Festkörperbatterien die Chance, eine konkurrenzfähige Zellfertigung in Deutschland zu etablieren. Die Nachfrage des Weltmarktes nach Maschinen zur Fertigung von Festkörperbatterien wird in den kommenden Monaten und Jahren erheblich ansteigen, da die von der Industrie geforderten Quantitäts- und Qualitätsmerkmale mit aktuellen Lithium-Ionen-Zellen nicht erreicht werden können. Auf Energie- und Kosten-intensive Prozesse, wie die Formierung, kann bei Festkörperbatterien vollständig verzichtet werden. Neben den Einsatzbereichen Elektromobilität und Consumerzellen ist ein Einsatz auch in stationären Energiespeichern sowie Nischenmärkten denkbar. Es ist zu erwarten, dass nach Ablauf des Vorhabens Fertigentwicklungen bzw. weitere Arbeiten zur Ausschöpfung weiterer Potentiale hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Kosten stattfinden werden. Wenn die Technologien die angestrebte Leistungsfähigkeit erreichen, werden die Festkörperbatterien aktuelle Lithium-Ionen-Zellen verdrängen. Daher müssen die Produktionssysteme hinsichtlich dieser Technologien entwickelt werden.