Maßgeschneiderte Lithium-Metall-Anoden für zukünftige Batteriesysteme

Das vorliegende Teilprojekt befasst sich mit der Herstellung und Oberflächenvorbereitung von dünnen hochreinen Nickelfolien (≤ 10 μm), die als Substrat für Lithium in Lithiummetall-Anodenbatterien verwendet werden.

Die hpulcas entwickelte nach einem international patentierten Herstellungsverfahren die Verarbeitung von Kathodenblechen zu Reinstnickelbänder mit Nickelgehalten von 99,98 Prozent. Nach Oberflächenbehandlung und Glühen wird das kathodische Blech, das anfänglich eine Dicke von 12 bis 15 mm aufweist, auf eine Dicke von 6 mm warmgewalzt. Nach dem Abkühlen werden die Platten gerichtet und die oxidierte Oberfläche wird durch Bürsten entfernt.

Zur Herstellung von Bändern werden die Bleche durch TIG-Schweißen mit einem hochreinen Nickeldraht zusammengeschweißt und aufgewickelt. Das warmgewalzte Coil wird zwischengeglüht und dann auf verschiedene Dicken kaltgewalzt. Die nach diesem Verfahren hergestellten Bänder sind besonders geeignet, um zu Folien weiterverarbeitet zu werden, weil auf den Einsatz der Schmelzmetallurgie – und damit auf den Einsatz von Deoxidationsmitteln – verzichtet wird. Dadurch sind die Bänder frei von – meist sehr harten – Oxiden. Im Gegensatz zu Prozessen, bei denen schmelzmetallurgisch hergestellte Bänder verwendet werden, kann somit vermieden werden, dass beim Walzen von dünnen Folien (< 10 µm) Löcher entstehen. hpulcas Reinstnickel ist versuchsweise bereits auf eine Dicke von 4 µm gewalzt worden.

Das von der hpulcas hergestellte hochreine Nickel erfüllt zumindest die Kriterien des Standards Ni 270, teilweise werden die Kriterien erheblich übertroffen. Im Vergleich zu Standardqualitäten von Nickel (Ni 200) ist die elektrische Leitfähigkeit 20 Prozent höher, die Rekristallisationstemperatur 45 Prozent niedriger.

Eine weitere Aufgabe im Rahmen dieses Teilprojekts ist es, die Nickel-Oberfläche zu modifizieren, um die reale Kontaktfläche zwischen dem Substrat (Ni) und dem Abscheidungsmaterial (Li) zu vergrößern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die folgenden Methoden angewendet: mechanische (Erzeugung von Mikrorissen) oder chemische Verfahren (chemisches Ätzen, Oxidation und Reduktion) sowie nachgelagerte Beschichtungsprozesse (ca. 30 nm amorphe Kohlenstoffschichten, sehr dünne eindiffundierte Zinnschicht).