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

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.