Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

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Technische Universität Braunschweig

Stabsstelle Presse und Kommunikation

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Zukünftige Lithium-Ionen-Batterien setzen kathodenseitig auf eine Anpassung der Metalloxidanteile, gänzlich neue und leichtere Materialien wie z. B. Sauerstoff sowie auf einen Auftrag des Elektrolyten als feste Schicht. Als Konsequenz werden anodenseitig Strukturen benötigt, die zu einem beschleunigten Interkalationsvorgang und zur Einlagerung einer größeren Anzahl von Ionen fähig sind. Alternativ zu einer begrenzten Verbesserung der bestehenden Graphitbeschichtung wird deshalb die Verwendung einer reinen Lithium-Metall-Anode seit einigen Jahren favorisiert. Lithium bietet als originäres Element der Lithium-Ionen-Batterie die Möglichkeit einer nahezu ungehinderten Einlagerung und Abgabe von Lithium-Ionen bei gleichzeitig hoher spezifischer Kapazität. Im Ergebnis ist eine starke Reduzierung der erforderlichen Dicke der Anoden möglich, die in Kombination mit der vergleichsweise sehr geringen Dichte von Lithium zu einem wesentlichen Anstieg der spezifischen Energiedichte führt. 
Den genannten Vorteilen von Lithium-Metall-Anoden stehen jedoch mechanische und chemische Materialeigenschaften des Lithiums gegenüber, die sowohl für die produktseitige Integration der Lithium-Metall-Anoden als auch für den Fertigungsprozess der Batteriezelle besondere Herausforderungen bedeuten. Durch die Kombination aus geringer mechanischer Festigkeit, den geforderten niedrigen Foliendicken <50µm und einer Neigung zur Adhäsion an Werkzeugoberflächen, sind die bei der Handhabung und Verarbeitung ertragbaren Lasten sehr gering. Entstehende Oberflächendefekte, wie z. B. Risse, verursachen eine erhöhte Ladungsträgerdichte, die Ursprung eines zellschädlichen Dendritenwachstums ist. Eine Kontamination des Werkzeugs und der Elektrodenoberfläche mit den gelösten Partikeln, die z. B. aus dem Schneiden oder auch dem Verschleiß von Handhabungssystemen resultieren können, beeinträchtigt ebenfalls die Zyklenstabilität und Kapazität der gefertigten Zellen maßgebend. Eine weitere Kontaminationsart auf der Anodenoberfläche entsteht durch chemische Reaktionen des Lithiums mit den Elementen der umgebenden Prozessatmosphäre. Die sich ausbildenden Schichten sind inhomogen in Schichtdicke und –topographie und weisen vom Lithium-Metall abweichende Materialeigenschaften auf, die die Verarbeitungsprozesse maßgeblich beeinflussen. 
Aus den genannten Gründen ist eine industrielle Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden bislang nicht entwickelt. Im Rahmen von ProLiMA werden für die einzelnen Verarbeitungsprozesse der Lithium-Metall-Anoden verschiedene Verfahren und Parametersätze hinsichtlich der erreichbaren Produktqualität (Elektrode und Vollzelle) evaluiert und zu einem materialgerechten Zellbaukonzept zusammengeführt.

Das Projekt ProLiMA ist inhaltlich in drei aufeinander aufbauende Schwerpunkte gegliedert. Zu Beginn werden material- und prozesstechnische Anforderungen aus industriellen Zielwerten und dem etablierten Zellbau konventioneller Lithium-Ionen-Batterien zusammengetragen und hinsichtlich der Übertragbarkeit auf die zu verwendenden Lithium-Metall-Anoden überprüft. In Kombination mit einer umfangreichen mechanischen Charakterisierung der Lithium-Metallfolien wird eine Ausgangsbasis zur Entwicklung der Produktionsprozesse geschaffen. Die Entwicklung der Produktionsprozesse ist der zweite Projektschwerpunkt und gliedert sich in die Teilprozesse der Konfektionierung, der Handhabung in der Stapelbildung und der Kontaktierung auf. Zusätzlich zu den einzelnen Teilprozessen wird übergreifend der Einfluss der umgebenden Prozessatmosphäre auf die verarbeiteten Zwischenprodukte und die Prozesse selbst analysiert. Zur Quantifizierung der verschiedenen Prozess- und Umgebungseinflüsse wird eine Methode zur elektrochemischen Charakterisierung von Halb- und Vollzellen mit Lithium-Metall-Anoden entwickelt und eingesetzt. Aus der Zusammenstellung der ermittelten Prozess-Produkt-Wirkbeziehungen entsteht im dritten Schwerpunkt des Projekts ein materialangepasstes Zellbaukonzept, das neben der effizienten Prozessierung in verknüpften Prozessen insbesondere die Skalierung zur industriellen Produktion in den Vordergrund stellt.

Die Verwendung von Lithium-Metall-Anoden verspricht große Potenziale in der Batterietechnologie und ist weitestgehend unabhängig von spezifischen Kathoden- oder Elektrolytmaterialien. Jedoch ist aufgrund der herausfordernden Materialeigenschaften die Entwicklung materialgerechter Verarbeitungsprozesse von erheblicher Bedeutung. Insbesondere in der Konfektionierung, Handhabung zur Stapelbildung und der Kontaktierung müssen die Prozesse und die Prozesstechnik an das neue Material angepasst werden, um eine beschädigungsfreie und kontaminationsarme Verarbeitung der Lithium-Metall-Anoden in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien sicherzustellen. Das Projekt ProLiMA erarbeitetet diese Prozesse, die erforderliche Prozesstechnik sowie die Integration in eine materialgerechte Prozessatmosphäre. Abschließend werden die Prozesse zu einem ganzheitlichen Zellbaukonzept verknüpft, das die Skalierung zu einer effizienten industriellen Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden aufzeigt.

Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden – Konfektionierung, Handhabung und Kontaktierung

Conti Temic microelectronic GmbH

Standort Berlin

Conti Temic microelectronic GmbH Standort Berlin

Continental AG

Corporate Media Relations

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Das geplante Vorhaben zielt auf die Prozessierung von Li-Metall-Anoden im Pilotmaßstab vor dem Hintergrund ihrer Anwendung in zukünftigen All-Solid-State Li-Ionen-Batterien ab. Das Ergebnis des Vorhabens sind definierte Randbedingungen zu einem, dem neuen Material angepassten, Zellbau sowie Lösungskonzepte für die Prozesse der Konfektionierung, der Handhabung und der Kontaktierung sowie zur Realisierung der erforderlichen Prozessatmosphäre. Das Projekt ermöglicht eine robuste, effiziente und skalierbare Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden (vgl. Gesamtvorhabensbeschreibung ProLiMA). Aufgrund der bestehenden Verknüpfung zwischen den Produktionsprozessen und den zu prozessierenden Materialien sowie der resultierenden Zelleigenschaften ist eine Evaluierung der Material- und Prozesseinflüsse auf die elektrochemischen Eigenschaften von hoher Bedeutung. Deshalb ist die Entwicklung einer Prüfmethodik, welche die in den Verarbeitungsprozessen erzielten physikalischen und chemischen Materialeigenschaften mit der elektrochemischen Qualität der Batteriezelle in Beziehung setzt, Ziel dieses Teilprojektes. Nachdem die Anforderungen an die elektrochemische Charakterisierung von Testzellen aufgestellt wurden, soll eine entsprechende Prüfmethodik entwickelt werden. Ziel ist die Entwicklung eines funktionierenden Prototypen für symmetrische Lithium-Testzellen (Methode1) sowie für eine in-situ Testzelle zur zeitaufgelösten Beobachtung von Materialveränderungen im Zyklisiervorgang (Methode 2). Mit Hilfe dieser Methoden soll die Prozessparametervariationen im Testzellbau evaluiert werden.

EL-CELL wird eigene Erfahrungen aus der Auswahl und Prozessierung von Lithiummetall in die Anforderungsermittlung einbringen, die in Zusammenarbeit mit allen Kooperationspartnern erfolgen wird. Im Rahmen eines eigenen Arbeitspakets wird EL-CELL  gemeinsam mit der TU Braunschweig eine Prüfmethodik entwickeln, welche die Beziehung zwischen Produkteigenschaften und Prozesseinflüssen der Li-Metall-Prozessierung bewertet. EL-CELL wird hierfür Prototypen für symmetrische Zellen sowie für eine in-situ Testzelle entwickeln und anfertigen. Der Aufbau und die Inbetriebnahme erfolgen bei EL-CELL; die Prototypen werden den Partnern ebenfalls zur Evaluierung zur Verfügung gestellt.
Um die Ergebnisse zur elektrochemischen Charakterisierung zum einen zu validieren und zum anderen bereits im Projekt zu verwenden, werden Zwischenprodukte (LiMA Prüflinge) mit der erarbeiteten Methodik geprüft. EL-CELL wird die gewonnenen Erkenntnisse zur Bearbeitung und Handhabung von Lithiummetall in Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern in Handlungsempfehlungen überführen.

In zukünftigen Batteriegenerationen, wie z. B. Feststoffbatterien, werden dünne Lithiummetallfolien als Anoden eingesetzt, da diese gegenüber den konventionellen Anoden aus Graphit eine Vielzahl an Vorteilen aufweisen (geringere Masse, verkürzte Ein- und Auslagerungszeiten der Ionen). Für die Großserienproduktion von Batterien dieser Generation ist das Wissen um die geeignete Prozessierung der entsprechenden Materialien ein entscheidender Faktor. Während kathodenseitig bereits eine breite Forschung betrieben wird, wird die Anodenseite bisher eher ausgeklammert. Das geplante Vorhaben ProLiMA zielt deshalb auf eine Untersuchung und Verbesserung der Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden vor dem Hintergrund ihrer Anwendung in All-Solid-State Lithium-Ionen-Batterien ab. Dieser Ansatz ist aufgrund der enormen Potenziale der Lithium-Metall-Anode von hoher Relevanz, da die industrielle Verarbeitung und Prozessierung von reinem Lithium-Metall signifikanten Herausforderungen (u. a. die geringe mechanische als auch chemische Stabilität, ergänzt um die stark adhäsiven Eigenschaften) gegenübersteht und bisher im Kontext der Batterieproduktion nicht methodisch untersucht wurde.
Die Ergebnisse aus dem Teil-Projekt wird EL-CELL einerseits direkt in Form neuer Geräte für die Batterieforschung verwerten. Andererseits werden die Erkenntnisse zur effizienten Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden für den Bau von All-Solid-State Batterien im Labormaßstab auch im eigenen Labor zur Anwendung kommen.

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EL-Cell GmbH

Frau  Iris Zwanziger

Das Teilprojekt von Festo im Projekt ProLiMA fokussiert auf zwei Hauptziele. Die Entwicklung, Bereitstellung und Validierung von Greifsystemen zur Handhabung biegeschlaffer und stark adhäsiver Li-Metallfolie sowie die Untersuchung des Einflusses von Partikelkontaminationen auf die elektrochemische Zellperformance.
Bei der Handhabung einer reinen Lithium-Metall-Anode sind aus Sicht der Greiftechnik die spezifischen mechanischen und chemischen Eigenschaften der reinen Lithium-Folie eine Herausforderung. Lithium weist eine sehr geringe Dehngrenze von 0,56 MPa auf, weshalb die Verarbeitung der weichen Metallfolien bei den geforderten Dicken von 10 μm bis 50 μm mit einer hohen mechanischen Empfindlichkeit konfrontiert ist [Zhang et al. 2017]. Aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit entstehen im Kontakt mit Greifern während der Vereinzelung und Handhabung der Metallfolie Beschädigungen aus Abrieb und Anhaftungen [Jansen et al. 2017]. Ziel für Festo ist es, die Anforderungen an das Greifen der Lithium-Metall-Anoden im Detail zu verstehen, daraus funktionsfähige Lösungen abzuleiten und diese prototypisch umzusetzen.

Neben den Greifern sind Handhabungssysteme zur Automatisierung des Produktions-prozesses von All-Solid-State Li-Ionen-Batterien für Festo relevant. Denn durch den nicht zu verhindernden Verschleiß der Handhabungssysteme entstehen Partikel. Diese Partikelkontamination beeinträchtigt die Zyklenstabilität und Kapazität der Zellen maßgebend [Mohanty et al. 2016]. Ziel für Festo ist es zu quantifizieren, wie viele Partikel von den Handhabungssystemen im Vergleich zu anderen Prozessschritten (z. B. Schneidprozess) emittiert werden. Ein weiteres Ziel ist es, die Auswirkung von unterschiedlichen Partikeln (Werkstoff, Größe, …) zu verstehen und daraus Anforderungen an die Handhabungssysteme abzuleiten und prototypische Lösungen umzusetzen.

Entsprechend der zweigeteilten Zielsetzung von Festo teilen sich die Arbeiten von Festo in die „Entwicklung, Bereitstellung und Validierung von Greifsystemen zur Handhabung biegeschlaffer und stark adhäsiver Li-Metallfolien“ sowie die „Untersuchung des Einflusses von Partikelkontaminationen auf die elektrochemische Zellperformance bei Handhabungssystemen“ auf. Darüber hinaus wird sich Festo in den übergreifenden und koordinierenden Arbeitspaketen der „Anforderungsermittlung“ des „Konzepts zur materialgerechten und wirtschaftlichen Konditionierung der Prozessatmosphäre“ sowie des „Ganzheitliches Zellbaukonzepts“ engagieren.
Eine Übersicht der Arbeitspakete und deren Schwerpunkte sind nachfolgend aufgelistet:

•	Anforderungsermittlung (materialtechnisch, elektrochemisch und prozesstechnisch)
•	Entwicklung von Greifszenarien in der Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden

•	Aufbau einer Versuchseinrichtung zur experimentellen Bestimmung prozessimmanenter Belastungen

•	Evaluation Achssysteme und Greiftechnik sowie Ableitung von Verbesserungspotentialen

•	Konzeptionierung und prototypische Umsetzung eines produkt- und prozessangepassten Handhabungssystems

•	Ableitung eines Konzepts zur materialgerechten und wirtschaftlichen Konditionierung der Prozessatmosphäre

•	Entwicklung eins ganzheitlichen Zellbaukonzepts

Festo wird die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse über Veröffentlichungen und/oder Konferenzbeträge der Wissenschaftswelt zur Verfügung stellen.
Mit Blick auf die technische Anschlussfähigkeit sieht Festo den Aufbau von Knowhow zur Batteriezellenproduktion als strategisch wichtiges Handlungsfeld der firmeninternen Forschung. Dazu gehört auch die Kooperation mit kompetenten Forschungs- und Industriepartnern. Aus technologischer Sicht ist die systematische Erarbeitung von Anforderungen an Greif- und Handhabungsprinzipien sowie von Bewertungskriterien zu nennen. Ziel ist es, den Produkt-Baukasten von Festo kontinuierlich zu verbessern und weiter zu entwickeln, so dass er auch für neue Anwendungen und Applikationen nutzbar ist. Mit Blick auf die dynamische technologische Entwicklung der Batterien bildet die systematische Erarbeitung verschiedener Handhabung- und Greifprinzipien die Voraussetzung, auf zukünftige Entwicklungen und Anforderungen zu reagieren. Festo sieht dies als einen Baustein an, um durch Automatisierung auch zukünftig wirtschaftlich tragfähige Produktionsprozesse für Batteriezellen in Deutschland und Europa zu schaffen.

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Festo AG & Co. KG

Handhabungs- und Greiftechnik

Application-Based Research (TR-A)

Festo AG & Co. KG Application-Based Research (TR-A)

Herr Dr. Wolfgang Gauchel

Ziele des Teilprojektes  sind die Entwicklung von zwei neuartigen Verfahren zur Konfektionierung und Kontaktierung der Lithium-Metallfolien mittels Ultraschall.
Für die Konfektionierung der Li-Metallfolien sollen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs) der TU Braunschweig Ultraschallschneid- und / oder Ultraschallstanzwerkzeuge sowie die Verfahrensparameter entwickelt werden.

Technologisch versprechen All-Solid-State Ansätze für Lithium-Ionen-Batterien (ASS-Batterien) höchste Energiedichten. Für die Herstellung von Batterien dieser Generation ist das Wissen um die geeignete Prozessierung der entsprechenden Materialien ein entscheidender Faktor.

Die industrielle Verarbeitung und Prozessierung von reinem Lithium-Metall beinhaltet große Herausforderungen, wie die geringe mechanische und chemische Stabilität als auch erschwerte Handhabung aufgrund der starken Adhäsion des Materials gegenüber anderen Kontaktpartnern.

Durch die Kombination aus geringer mechanischer Festigkeit (Dehngrenze 0,56 MPa) mit den geforderten niedrigen Foliendicken zwischen 10 und 50 μm, sind die bei Handhabung und Verarbeitung ertragbaren Lasten sehr gering, woraus Herausforderungen an die Prozessschritte resultieren.

Die geringe mechanische Festigkeit verbunden mit der starken Haftung des Lithiums an konventionellen Materialien können im Kontakt mit Werkzeugen während der Konfektionierung und Kontaktierung der Metallfolie(n) Beschädigungen, Abrieb und Anhaftungen entstehen.

Die Entwicklung geeigneter Werkzeuge, Konturen, Beschichtungen, Parameter und Prozessstrategien stellen das Ziel des Teilprojekts dar.

Aufgrund der starken Anhaftung des Lithiums an konventionellen Stanzwerkzeugen kann das Ultraschallschneiden eine Prozessstrategie sein, welche diese herausfordernde Problematik für eine Serienproduktion löst.
Daher wird ein Versuchstand entwickelt, anhand dessen der Ultraschallschneidprozess experimentell bewertet werden kann. Mögliche Parameter sind die Schneidgeschwindigkeit, die Kraft sowie die Frequenz und die Amplitude der Schwingungen. Über diese Prozessparameter hinaus wirkt sich die Geometrie und Beschichtung der Schneide ebenfalls auf den Schneidprozess aus und wird variiert und evaluiert.

Weiterhin wird das Ultraschallmetallschweißen von Lithium-Metall-Folien als Fügemethode untersucht. Neben den Ultraschallschweißparametern Schweißzeit, Fügekraft, Schweißleistung, Schweißenergie, Ultraschallfrequenz, Schwingrichtung und Schwingungsamplitude wird auch der Einfluss der Prozessatmosphäre auf die Verbindungsqualität untersucht.

Für das Ultraschallmetallschweißen der Lithium-Metall-Folien werden longitudinal und transversal schwingende Sonotroden entwickelt.

Neben den oben aufgeführten Ultraschallschweißparametern hat die Kontur der Schweißwerkzeuge Sonotrode und Amboss einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der Verbindung und auf die mögliche Schädigung der Lithium-Metall-Folien.

Zur Reduzierung des Verschleißes an den Schweißwerkzeugen Sonotrode und Amboss werden die Werkzeuge beschichtet. Die Art der Beschichtung, der Auftrag der Beschichtung auf die Grundmaterialien der Sonotroden und Ambosse und der Einfluss auf die Schweißnahtqualität sowie die quantitative Erhöhung der Verschleißfestigkeit stehen im Fokus der Untersuchungen.

Durch gezielte Anpassung der Ultraschallschweißparameter, insbesondere der Profilierung der Schwingungsamplitude und der Fügekraft soll eine materialschonende Verbindung der Lithium-Metall-Folien erreicht werden.

Durch Einbindung externer Sensorik zur präzisen Messung von u.a. Weg / Position und Temperatur sollen geeignete Stützstellen für die jeweilige Anpassung der Ultraschallschweißparameter identifiziert werden.

Das Projekt leistet einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Verwendung von Lithium-Metall-Anoden, welche nur durch eine effiziente Prozessierung möglich sein wird.
Die im Projekt entwickelten innovativen Ultraschall-Verfahren und Komponenten sollen recht kurzfristig für die herkömmliche Batterieherstellung adaptiert und validiert werden, um auch zeitnah den Einstieg in die Herstellung von Batterien zu finden.

In einem Markt, der durch das starke Wachstum der Elektromobilität zuverlässige und effiziente Technologien für die Herstellung von Batterien und Verbindungen innerhalb der Bordnetze erfordert, ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten der im Projekt erarbeiteten Lösungen.

Darüber hinaus bilden die im Projekt entwickelten Anlagen und Komponenten eine technologische Plattform zur kontinuierlichen Entwicklung neuer Lösungen für Anwendungsfelder mit Bedarf nach der hochqualitativen Verarbeitung von dünnen Metallfolien wie die Medizintechnik, Elektrotechnik und Luft- und Raumfahrt.

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Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

Ultraschallschweißen und -schneiden für Lithium-Metall-Folien zur Herstellung von Anoden

Herr Dr. Marco Lanza

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Volkswagen AG

Global Group Communications

Abteilung Fügeverfahren

Volkswagen AG Technologiezentrum Elektromobilität der Volkswagen AG Konzernforschung: Werkstoffe und Fertigungsverfahren Abteilung Fügeverfahren

Technologiezentrum Elektromobilität der Volkswagen AG

Konzernforschung: Werkstoffe und Fertigungsverfahren

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Institut für Füge- und Schweißtechnik

Technische Universität Braunschweig Institut für Füge- und Schweißtechnik

Herr Prof. Dr. Klaus Dilger

Prof. Dr.

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Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik

Technische Universität Braunschweig Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik

Duration	01/01/2019 - 31/08/2022
Executing unit	TU Braunschweig • IFS
City	Braunschweig
Amount of funding	1.124.459,00 €
Total budget	1.124.459,00 €
Sponsor	BMFTR

Project

ProLiMA

Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden – Konfektionierung, Handhabung und Kontaktierung

Project management as

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Technische Universität Braunschweig

Funding

This project is part of the joint project

ProLiMA

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Standort Berlin

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

EL-Cell GmbH

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Application-Based Research (TR-A)

Sub-project 4

Duration:

Funding code:

Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

Sub-project 5

Duration:

Funding code:

Abteilung Fügeverfahren

This project is part of the funding initiative

Sub-project lead

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

Conti Temic microelectronic GmbH

Joint-project coordinator

Links

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