Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

Das Teilvorhaben des IWS innerhalb des Gesamtvorhabens Next-Gen-3DBat fokussiert sich auf das Erforschen fortschrittlicher Laserstrukturierungsverfahren zur Optimierung von Inaktivmaterialien (Stromableiter, Separatoren) in Batteriezellen. Durch das Strukturieren von Stromableiter und Separator wird das 3D-Elektroden-Konzept im Hinblick auf eine weitere Steigerung der Batterieperformance sinnvoll ergänzt und anhand von Funktionsmustern mit Kapazitäten bis 20 Ah demonstriert. Während die Separatorstrukturierung (Technologie: Direktes Laserschreiben - DLS) zur Verbesserung der Benetzung beiträgt, ist das Einbringen von Mikro-/Nano-Strukturen am Stromableiter (Technologie: Direktes Laserinterferenzstrukturieren - DLIP) erforderlich, so dass mechanische als auch elektrische Eigenschaften deutlich verbessert werden können.

Neben der grundlegenden Prozessentwicklung mit dem Fokus einer schädigungs- und debrisfreien Bearbeitung der Inaktivmaterialien werden technologische Aufskalierungskonzepte unter Anwendung einer Ultrakurzpuls-Hochleistungslaserquelle erarbeitet und in einer industrierelevanten Umgebung evaluiert. Da die im Projekt adressierten neuen Elektrodenkonzepte ein Übertragen der Laserprozesse DLS und DLIP auf einen Rolle-zu-Rolle(R2R)-Ansatz erfordern, wird neben den optischen Konzepten (Strahlführung und –formung) auch ein ganzheitlicher Systemansatz erarbeitet. Dieser ermöglicht eine Maximierung der Prozesseffizienz bei gleichzeitiger Einbindung von Methoden der Qualitätssicherung. Insbesondere dieser Systemansatz ermöglicht ein fokussiertes Bündeln der Kernkompetenzen aller Projektbeteiligten, so dass im Erfolgsfall ein beschleunigter Technologietransfer in die Produktion vollzogen werden kann. Ein sich aus dem Vorhaben ableitendes, verbessertes elektrochemisches Lade- und Entladeverhalten und ein tieferes Verständnis der Benetzungsvorgänge wird die Sicherheit der Zellen maßgeblich verbessern.

Der erste Arbeitsschwerpunkt ist das Strukturieren von Kupfer- und Aluminium-Stromableiterfolien mittels Direktem Laserinterferenzverfahren (DLIP) zur Verbesserung der Schichthaftung bei Hochenergie- und Dickschichtelektroden. Dazu werden grundlegende Prozessparameter der DLIP Strukturierung in Kombination mit einer UKP-Hochleistungslaserquelle untersucht und die Ableiterfolien hinsichtlich ihrer Performanceeigenschaften zusammen mit den Projektpartnern evaluiert. In einem zweiten Schritt werden vielversprechende Aufskalierungskonzepte zur großflächigen Oberflächenstrukturierung mit den Projektpartnern erarbeitet, die erforderliche Prozess- und Systemtechnik (Laser, Optiken, Scanner) angepasst und in einer anwendungsnahen Umgebung (Rolle-zu-Rolle-Prozess) umgesetzt und evaluiert. Dazu wird mit den Projektpartnern ein ganzheitlicher Systemansatz erarbeitet sowie der vielversprechendste Aufskalierungsansatz identifiziert. Die Systemtechnik wird durch eine neu zu entwickelnde Qualifizierungsmethode ergänzt, welche insbesondere bei der Bewertung des Strukturierungsergebnisses anhand definierter Qualitätsmerkmale (bspw. Strukturperiode und –tiefe) zum Tragen kommt.

Zweiter Arbeitsschwerpunkt ist das direktschreibende Strukturieren der Separatoroberflächen mittels Ultrakurzpulslasern angepasster Strahleigenschaften und Prozessführung. Hierfür werden die Systemtechnikkonzepte aus der Elektroden-Strukturierung auf die Anforderungen der Separatormaterialien übertragen und adaptiert. Ziel der Prozessentwicklung ist die effiziente, großflächige Mikrostrukturierung der Oberfläche des Separators. Durch die Oberflächenstrukturierung der Separatoren soll eine weitere signifikante Steigerung der Elektrolytbenetzung des Stapelsystems aus Elektroden und Separatoren sowie eine Steigerung der Batterieperformance und Lebensdauer erreicht werden.

Durch die Oberflächenmodifizierung der Separatoren wird eine Verkürzung der Elektrolyt-Befüllzeit und -Benetzungsdauer ermöglicht, die eine signifikante Reduzierung der gesamten Produktionszeit erlaubt. Bei den meisten Elektrolytsystemen ist der Befüllprozess von Zellen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Daher hat eine Reduktion der Befüllzeit einen direkten Einfluss auf die Fertigungskosten. Durch eine gezielte Verbesserung der Elektrolytbenetzbarkeit von Separatoren (zusammen mit den Elektroden) könnten die Auslagerungszeiten und Formierzeiten frisch befüllter Li-Ionen Zellen maßgeblich reduziert werden. Bei minimalen Auslagerungszeiten, die entweder komplett vermieden oder nur im Stundenbereich liegen, ergeben sich daher enorme Kostenvorteile. Zusätzliche Kostenreduzierungen können bei reduzierten Ausschussraten und erhöhter Lebensdauer entsprechend befüllter Zellen erreicht werden.

Die durch Mikro- und Nanostrukturen modifizierten Stromableiterfolien führen zu einer Erhöhung der Schichtanhaftung zwischen Aktivmaterial und Metallfolie. Daraus resultiert neben einer signifikant verringerten Delaminationsneigung (erhöhte Zyklenfestigkeit und Zellsicherheit) auch ein verringerter elektrischer Übergangswiderstand (erhöhte Zellperformance).

Die neu zu entwickelnden Prozesstechnik-Konzepte und -Komponenten werden in das Portfolio des Institutes aufgenommen und somit für Batteriehersteller und Materialentwickler verfügbar gemacht.

Vorhandene bzw. neue Batteriefertigungslinien könnten durch die verbesserten Methoden und neue Erkenntnisse zur Zellchemie mit bereits bekannter Produktionstechnologie unter Hinzunahme der neuen Schritte sehr einfach modifiziert bzw. realisiert werden. Die Entwicklungsergebnisse zur Strukturierung der Inaktivmaterialien lassen sich vorteilhaft auch auf andere Zellkonzepte übertragen.