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

In konventionellen Lithium-Ionen-Batterien werden zumeist flüssige Elektrolytsysteme verwendet. Die Porosität der Elektrode gewährleistet einen exzellenten Ionentransport im Elektrolyten durch die Elektrode. Technologisch versprechen jedoch All-Solid-State-Ansätze mit einem Festelektrolyten, der zum einen die Elektrodenporosität füllt und zum anderen als Separator zwischen Anode und Kathode fungieren kann, nie erreichte Energiedichten. Darüber hinaus verläuft die Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien konventionell aus einer Suspension der Elektrodenbestandteile in einem Lösungsmittel (nasschemisch). Das Lösungsmittel muss anschließend über energieverzehrende und kostenintensive Trockenstrecken ausgetrieben werden. Daher beschäftigen sich aktuell viele Institute, Unternehmen und andere Einrichtungen mit Konzepten für eine lösungsmittelfreie Applizierung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien.

Über den Weg könnte die Vakuumbeschichtung – als eine Trockenbeschichtungstechnologie – für die Substitution lösungsmittelbasierter Elektrodenfertigungsprozesse in Frage kommen. Die wirtschaftlichen und strukturellen Anforderungen an Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien verhindern jedoch den Einsatz von konventionellen PVD-basierten atomaren Abscheideverfahren. Eine auf diese Art synthetisierte Elektrode würde somit nicht die Anforderungen bezüglich der Leistungsfähigkeit (Ratenfähigkeit) erfüllen. Das Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung eines neuartigem Beschichtungs- und Abscheideverfahrens zu Herstellung von Mono- und 3D-strukturierten Festkörperkathoden für All-Solid-State Batterien auf Basis der physikalischen Gasphasenabscheidung. Die Anpassung der weiteren Batteriekomponenten an die Anforderung der All-Solid-State-Batteriekathode soll durch die Grenzflächenmodifikation von Aluminiumstromsammlerfolien, Aktivmaterialpartikeln und Lithiummetallanoden mittels bestehenden und innovativen physikalischen Vakuumbeschichtungsverfahren erfolgen.

Das Teilprojekt gliedert sich in 3 Kern-Arbeitspakete. Im ersten Arbeitspaket werden die geeigneten Bausteine/Precursor für die Herstellung von All-Solid-State-Batterien, insbesondere im Hinblick auf die Eigenschaften des neuartigen Abscheideverfahrens, erkannt und entwickelt. Ein Fokus steht dabei die Entwicklung einer innovativen Vakuumtechnologie zur Funktionalisierung von Kathodenaktivmaterialpartikel mit Al2O3 und Feststoffelektrolyten, durch die eine Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit erreicht werden kann. Im zweiten Arbeitspaket erfolgt die Prozessierung der Bausteine zu einer Elektrode durch ein innovatives physikalisches Vakuumbeschichtungsverfahren. Ausgehend von Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung dünner Monoschichten werden mit dem Verfahren hochkapazitive 3D-strukturierte dicke All-Solid-State Batteriekathoden entwickelt. Im dritten Arbeitspaket werden die Inaktivmaterialien gezielt an die Anforderungen einer All-Solid-State-Batterie angepasst.

So wird eine Funktionsschicht zur Passivierung von Lithiummetallfolien entwickelt, um evtl. auftretende Unverträglichkeiten des Feststoffelektrolyten mit der Lithium-Metallanode zu vermeiden. Zusätzlich werden Dünnschichtapplizierungsverfahren untersucht, die es ermöglichen, die Separatorschicht mit einer Dicke im Sub- bzw. Mikrometerbereich herzustellen. Durch eine dünne, aber kompakte Primer-Funktionsschicht auf dem Kathoden-Stromsammler soll die Haft- und Kontakteigenschaften zur Elektrodenschicht verbessert, der Übergangswiderstand von Metallfolie zur Kathodenschicht verringert und die ggf. stattfindende Korrosion der Aluminiumfolie verhindert werden. Alle entwickelten Komponenten, Funktionsschichten, Elektroden werden hinsichtlich ihrer Eignung durch geeignete elektrochemische Charakterisierungsverfahren bei den Verbundpartnern bewertet. Alle entwickelten Prozesse werden zusätzlich anhand einer Benchmark-Prozesskette hinsichtlich ihrer ökonomischen Eignung sowie der Integration in den Gesamtfertigungsprozess bewertet.

Durch die ganzheitliche Projektausrichtung von der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis zu den jeweilig zugeschnittenen Prozessschritten ergeben sich aus den entsprechenden Teilaspekten hohe Potenziale sowohl für die wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. Die Entwicklung eines neuartigen, lösungsmittelfreien Verfahrens zur Herstellung von Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere von All-Solid-State Kathoden, führt kurz- und mittelfristig zu einem erheblichen Technologievorsprung der am Projekt beteiligten deutschen Unternehmen gegenüber den meist asiatischen, aber auch amerikanischen Marktbegleitern. Mittel- bis langfristig kann durch die Entwicklung einer disruptiven All-Solid-State-Zelltechnologie mit gesteigerter Energie- und Leistungsdichte die Substitution der bestehenden Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere im Automobilmarkt erwartet werden. Dadurch wird der Standort Deutschland als Innovationstreiber und perspektivisch auf Produktionsstandort für automobile Batterietechnologien gestärkt. Bereits kurzfristig ist mit denen im Projektverlauf entstehenden proprietären technischen Lösungen die wirtschaftliche Verwertung durch die Fertigung von Beschichtungsanlagenlösungen in Deutschland möglich. Diese wird durch die Entwicklung von Zellkomponenten, wie der Funktionalisierung von Aktivmaterialpartikeln oder Stromsammlern bzw. dünner Feststoffelektrolytseparatoren gestützt, die bereits zur Steigerung der Performance bestehender Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden können.