3D-Strukturierung von Solid-state-Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

Das Projekt hat das Ziel, den praktisch abrufbaren Energiegehalt bzw. die Leistungsdichte von All-Solid-State Zellen (mit mikrostrukturierter Feststoffelektrolytkathode und Schutzsicht versehener Li-Metall Anode) deutlich zu steigern. Auch wenn sich das Projekt in erster Linie auf die Weiterentwicklung neuer Elektrodenmaterialien bzw. Elektrodengeometrien fokussiert, muss im Hinblick auf eine spätere industrielle Umsetzung von Beginn an die gesamte Prozesskette der Zellfertigung betrachtet werden. Die SITEC Industrietechnologie GmbH übernimmt im Projekt die Entwicklung von Verfahrensschritten und Technologien zur Konfektionierung der Elektroden sowie die Konzeptentwicklung zum Handling der äußerst fragilen Zwischenprodukte.

Hier besteht das erste technische Arbeitsziel darin, das Verfahren Laserschneiden so an die Materialerfordernisse anzupassen, dass Mono- und Verbundschichten aus Lithium-Metall-Verbunden und Substratwerkstoffen zugeschnitten werden können. Dafür ist es einerseits notwendig, eine Konfektionierungseinheit zu entwickeln und zu bauen, die es ermöglicht, den Laserschneidprozess unter den erforderlichen Umgebungsbedingungen durchzuführen. Andererseits sind umfangreiche technologische Untersuchungen notwendig, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln.

Eine besondere Herausforderung dürfte darin bestehen, dass die zu bearbeitenden Materialien äußerst reaktionsfreudig sind und nicht nur unter trockenen, sondern auch stickstofffreien Umge-bungsbedingungen bearbeitet werden müssen. Es wird also notwendig sein, den gesamten Prozess so zu gestalten, dass die Werkstücke vollständig unter Schutzgasatmosphäre (Argon) bearbeitet und gehandhabt werden. Dafür muss ein geeigneter Laboraufbau entwickelt und getestet werden.

Das zweite Arbeitsziel besteht darin, ein Konzept für die Handhabung und den zerstörungsfreien Transport der Feststoffelektrolytkathoden zu entwickeln. Dazu gehört auch ein Konzept für die genaue Positionierung der Elemente in einer Bearbeitungsstation. Es entsteht ein Entwurf in Form eines CAD-Modells für Transport und Zuführung der Einzelzellen bzw. Zwischenprodukte. Zusätzlich sind mechanische und datentechnische Schnittstellen für die gesamte Schichtherstellungsprozesskette zu konzipieren, deren Entwicklung Gegenstand des Gesamtprojekts ist.

Das Arbeitspaket Verfahrensentwicklung für Elektrodenkonfektionierung wird in die folgenden Unterarbeitspakete unterteilt:

• Entwicklung einer Konfektionierungseinheit unter erforderlichen Umgebungsbedingungen

• Entwicklung Laserschneidverfahren für Mono- und Verbundschichtenschnitt

• Evaluierung laserbasierter Lithium-Metall- und Substratzuschnitt

• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Für die Entwicklung des Laserschneidverfahrens ist es notwendig, einen Laboraufbau zu schaffen, der die Bearbeitung der Proben unter Schutzgas (Argon) ermöglicht. Da Argon ein – vor allem im Vergleich zu Stickstoff – relativ teures Gas ist, muss durch den Einbau von Schleusen verhindert werden, dass bei jedem Probenwechsel der gesamte Bearbeitungsraum neu leergepumpt und geflutet werden muss.

Das Arbeitspaket „Zerstörungsfreie Handhabung fragiler Zwischenprodukte“ befindet sich im absoluten Anfangsstadium, da derzeit einzelne Proben zwischen Papierschichten eingeschweißt transportiert werden, was nicht annähernd industrietauglich ist. Das Arbeitspaket wird in die folgenden Unterarbeitspakete unterteilt:

• Konzeptentwicklung zur Handhabung der Feststoffelektrolytkathoden

• Konzeptentwicklung einer präzisen zerstörungsfreien Positionierung

• Schnittstellendesign der ges. Schichtherstellungsprozesskette

Nach Einschätzung der Mitglieder der „Nationalen Plattform Elektromobilität“ ist mit einer schrittweisen industriellen Einführung der Produktion von All-Solid-State-Batterien nicht vor 2025 zu rechnen. Dazu kommt, dass nicht wirklich absehbar ist, ob die Leistungsdichten, die im Labormaßstab erreicht werden, auch großtechnisch realisierbar sind. Andererseits ist SITEC als Sonderanlagenbauer für hochkomplexe Montage- und Bearbeitungsanlagen schon seit einigen Jahren bestrebt, den durch den Wandel der Automobil-Antriebstechnik hervorgerufenen voraussichtlichen Wegfall einiger bisheriger Kunden durch die Erschließung neuer Märkte zu kompensieren. Neben ersten Forschungsprojekten zu neuen Technologien konnte das Unternehmen erste Industrieaufträge im Bereich Batteriefertigung und Brennstoffzellenfertigung akquirieren. Das vorliegende Projekt stellt einen weiteren Schritt dar, um frühzeitig produktionstechnische Entwicklungen nicht nur zu beobachten, sondern aktiv mitzugestalten. Die langfristige Verwertungsperspektive sieht für SITEC so aus, dass das Unternehmen sich als Anbieter für Anlagen zur Zell- und Modulfertigung am Markt etabliert.