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

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.