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

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.