Elektrodenarchitekturen für Hochenergie- und Hochleistungsbatterien der nächsten Generation

Das Ziel ist es, Energiedichten oberhalb von 250 Wh/kg auf Zell-Level zu erzielen. Neben der im Vergleich zum Stand der Technik mit NMC-111-Kathoden und Graphit-Anoden höheren spezifischen Energiedichte, die durch die Auswahl der nickelreichen NMC-Aktivmaterialien (NMC-622) und der Si-Dotierung in den Graphit-Anoden erreicht werden soll (Materialkonzept), ist weiterhin die Entwicklung und Umsetzung einer beidseitigen Beschichtung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erforderlich. Dafür soll die Ultrakurzpuls(UKP)-Laser-Prozesstechnologie am KIT für die Ablation mit hohen Aspektverhältnissen (5-10 oder höher) zur Erzielung hoher Aktivoberflächen eingesetzt werden. Zudem ist es erforderlich geringe Aktivmasseverluste (<4%) sowie eine hohe Effizienz des Abtragsprozesses darzustellen bei gleichzeitiger Vermeidung von Wiederablagerungen (Debris) des abgetragenen Materials auf der Elektrodenoberfläche. Ein weiteres Teilziel ist eine optimierte Strukturgeometrie im Hinblick auf das Benetzungsverhalten (Geschwindigkeit, Homogenität, Benetzungsausdehnung) zu entwickeln und auf große Elektrodenoberflächen (20 Ah-Zellen) umzusetzen.

Folgende Batterie-Kenndaten sollen erreicht werden:

• Energiedichte > 250 Wh/kg

• C-Raten > 5C beim Laden/Entladen

• Zell-Lebensdauer von > 5000 Zyklen

Ein Arbeitsschwerpunkt beinhaltet die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von NMC-622-Kathoden und Si/Graphit-Anoden, um möglichst hohe Energiedichten auf Zell-Level zu realisieren. In Verbindung mit dem angestrebten Dickschichtkonzept müssen die Trocknungsbedingungen optimiert werden, um eine Bindersegregation zu unterbinden. Aufgrund des ökologischen Aspekts sollen hohe NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon)-Lösemitteleinträge durch den wässrigen Ansatz für Anode und Kathode vermieden werden. Da das Kathodenmaterial mit Wasser reagiert, müssen für die Beschichtung Optimierungszyklen eingeplant werden. Für jede Beschichtungsseite sollen Beschichtungsdicken für NMC-Elektroden oberhalb von 150 µm liegen, mit dem Ziel, Dicken von 250 µm herzustellen. Die Si/Graphit-Anoden-Schichtdicke wird sich dabei bedingt über das Zell-Balancing und in Abhängigkeit von der Si-Dotierung (5-20 Gew.-%) einstellen.

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Übertragung des am KIT entwickelten 3D-Elektrodenkonzeptes auf die hergestellten Dickschichtelektroden. Hierzu sollen zunächst geeignete UKP-Laserparameter ermittelt werden. Der Strukturierungsprozess wird anschließend durch den Einsatz von Multi-Beam-Konzepten auf große Elektrodenflächen im Rahmen einer Aufskalierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren übertragen. Wesentliche Kenngröße zur Beurteilung der erzielten Strukturgeometrien ist, neben der elektrochemischen Performance der Labor- und Demo-Zellen, das Benetzungsverhalten mit flüssigem Elektrolyt. Der Einfluss der Laserstrukturierung, des Dickschicht- und Materialkonzeptes auf die elektrochemische Alterung bzw. Zell-Degradation wird in Rahmen von Post-Mortem-Analysen wissenschaftlich untersuchen. Neben Standardmethoden soll hier erstmals systematisch die lasergestützte Plasmaspektroskopie im Sinne eines quantitativen Element-Mappings für komplette Elektroden eingesetzt werden. Dadurch werden Korrelationen zwischen elektrochemischer Performance und Lithium-Konzentrationsprofilen ermöglicht und im Hinblick auf das 3D-Elektrodenkonzept bewertet.

Mit den Projektergebnissen sollen Lithium-Ionen-Zellen realisiert werden können, die sowohl eine hohe Energiedichte aufweisen als auch mit hohen C-Raten betrieben werden können. Hierzu wird das Materialkonzept für nickelreiche Kathoden und Si/Graphit-Anoden mit dem 3D Elektrodenkonzept kombiniert. Für Standardschichtdicken bis 100 µm werden die Erfolgsaussichten einer raschen Umsetzung als sehr gut eingeschätzt. Die zusätzliche Erweiterung der Technologie auf das Dickschichtkonzept und große Elektrodenflächen wird flankiert von der Entwicklung der wasserbasierten Beschichtung (ökologischer Aspekt). Neben einer verbesserten Batterieperformance sollen die Projektergebnisse zur Reduzierung der Zell-Produktionskosten angewendet werden, indem durch die verbesserte Elektrolytbenetzung die Auslagerungszeiten frisch befüllter Li-Ionen Zellen deutlich reduziert werden. Zusätzliche Kostenreduzierungen werden durch die zu erwartenden reduzierten Ausschussraten und die erhöhte Batterielebensdauer erreicht.

Das KIT trägt schließlich bei zur technischen Aufskalierung eines neuen Fertigungsprozesses (UKP-Laserstrukturierung) für Elektroden, indem Laserprozessdaten (Energiedichte, Strahlintensitäts-verteilung, Pulsfrequenz, Laser-Leistung, Laser-Scan-Geschwindigkeit) ermittelt und den Partnern zur Auslegung von Laserstrahlquelle und Strahlformungs- und Strahlführungs-Systemen (fs-Laser-Funktionsmuster) bereitgestellt werden. Anschließend soll eine Überführung der von den Partnern entwickelten fs-Laser-Funktionsmuster auf den Rolle-zu-Rolle Prozess am KIT erfolgen.

Mit den Projektergebnissen eröffnen sich neue Forschungsthemen, z.B. bzgl. der Kombination von elektrolytfördernden Strukturen in Elektroden- und Separatormaterialien zur Erforschung hochviskoser Elektrolyte oder ionischer Flüssigkeiten. Zudem können die Ergebnisse zur Entwicklung von Post-Lithium-Batterien und All-Solid-State Batterien beitragen, um Diffusionseigenschaften und damit auch die Zellperformance durch eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche mittels Strukturierung zu verbessern.