Nanostrukturierte Batteriematerialien

Die im Projekt NanoBat erarbeiteten funktionalen Beschichtungen müssen kostengünstig auf die Elektrodenmaterialien aufgebracht werden. Hierbei stehen die stöchiometrische Zusammensetzung, die Konformität der Bedeckung und die erforderliche Kristallinität des Materials im Vordergrund. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Beschichtung von Pulvermaterialien, da die hier zu beschichtenden Partikel dreidimensionale Strukturen sind, welche von allen Seiten gleichförmig mit Material beaufschlagt werden müssen. Gleichzeitig bieten diese Partikel, sofern sie selbst eine kristalline Grundstruktur aufweisen, dem Depositionsprozess in allen Raumrichtungen eine unterschiedliche kristalline Oberflächenstruktur an.

In einem epitaktischen Depositionsprozess wie der Gasphasenepitaxie wird diese Kristallstruktur von der aufwachsenden Schicht übernommen, was in unterschiedlichen Wachstumsraten, resultierenden Schichtdicken oder unterschiedlichen Eigenschaften der funktionalen Schicht in verschiedenen Raumrichtungen des Partikels resultieren kann. All diese Effekte verändern die gewünschten Eigenschaften der funktionalen Schicht. Des Weiteren muss bei der Deposition auf Pulvermaterialien für eine gleichmäßige Umströmung der einzelnen Partikel gesorgt werden, um gleichförmige Schichteigenschaften auf allen Oberflächen aller Partikel sicher zu stellen.

Das Teilprojekt „Entwicklung technisch nutzbarer Beschichtungsprozesse“ untersucht die kostengünstige Herstellung der funktionalen Schichten und erarbeitet Depositionsprozesse und Anlagenanforderungen für die massentechnische Fertigung.

Um eine massentechnische Herstellung der funktionalen Schichten zu ermöglichen, müssen vorab geeignete Prekursormaterialien für die Deposition identifiziert werden. Die Kristallkonstituenten sind bei Lithium-Ionen-Batterien chemische Elemente, die in der (metallorganischen) Gasphasendeposition ((MO)-CVD; (Metal-Organic) Chemical Vapor Deposition) eher unüblich sind. Eine Vielzahl der metall-organischen Prekursoren weist niedrige Dampfdrücke und somit hohe Verdampfungs- oder Inverkehrbringungstemperaturen auf. Dies wiederum hat Auswirkungen auf das Design von Anlagen für die Deposition. Insbesondere haben hohe Verdampfungstemperaturen Auswirklungen auf die Auslegung von Leitungen und Schaltelementen (Ventile, Massenflussregler, Druckregler) sowie der Injektoren in die Depositionskammer. So können z. B. kalte Stellen zu einer Auskondensierung von Prekursormaterial aus der übersättigten Gasphase führen. Das Zusammenspiel zwischen verfügbaren Prekursormaterialien, notwendiger Wachstumsrate und anlagentechnischen Grenzen ist somit ein Fokus der Arbeiten im Teilprojekt.

Nachdem ein Portfolio geeigneter Prekursormaterialien identifiziert wurde, wird in einem ersten Schritt die Deposition der funktionalen Materialien auf planaren Schichten untersucht. Hierbei gilt es, die mittels Sputtern in anderen Teilprojekten erzielten positiven Eigenschaften für die Performanz der Lithium-Ionen-Batterien zu reproduzieren und die Depositionsprozesse und -anlagen zu optimieren.

In einem weiteren Schritt erfolgt dann eine Übertragung auf Pulvermaterialien, wie sie in Slurry-Prozessen zur Herstellung von Elektroden Verwendung finden. Fokus hierbei ist die gleichförmige Abscheidung der funktionalen Materialien auf unterschiedlichen Kristallrichtungen, wie sie von den Partikeln an der Wachstumsoberfläche angeboten werden.

In einem weiteren Schritt erfolgt die konzeptionelle Auslegung einer Anlage für die Massenproduktion, wobei der Schwerpunkt auf die Optimierung der Betriebskosten liegt.

Funktionale Materialien dienen zur Optimierung von Anoden- und Kathodenmaterial. Eigenschaften wie Speicherkapazität, Schnellladefähigkeit oder die Nutzung wasserbasierter Prozesse in der Slurry-Verarbeitung bedingen die Beschichtung der Partikel von Elektrodenmaterialien mit funktionalen Schichten. Die im Teilprojekt erarbeiteten Ergebnisse führen die Anwendung solcher Beschichtungen in die Massenfertigung. Hierbei steht ist die kostenoptimierte Produktion im Vordergrund.