Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

All-solid-State-Batterien - Entwicklung von skalierbaren Herstellprozessen für Trockenelektrolyt-basierte Mischelektroden

Batterien, die Festkörperelektrolyt beinhalten, stellen eine innovative und zukunftsweisende Technologie dar. Diese ist nur im Labormaßstab bzw. Knopfzellformat verfügbar. Die Aufnahme von thermomechanischem Stress und Volumenänderungen während der Lade- und Entladeprozesse stellen in der Zelle große Herausforderungen an den nur aus Feststoffen bestehenden Verbund und die Grenzflächen dar. Aufgrund der bisher nicht hinreichenden Verbindung zwischen Festkörperelektrolyt und elektrochemisch aktivem Funktionsmaterial sind der Ladungstransferwiderstand und der damit verbundene Wirkungsgradverlust zu hoch und die resultierende Leistungsdichte der Batteriezelle eher gering. Durch eine gezielte Modifikation der Grenze zwischen Festkörperelektrolyt und Aktivmaterial soll eine gute Verbindung geschaffen werden, die in Zukunft prozesssicher im großtechnischen Maßstab eingesetzt werden kann. Zunächst werden Materialmischungen aus Festkörperelektrolyt und vorgemischter LFP-Funktionsmaterialmischung in unterschiedlichen Mengenverhältnissen hergestellt, die im Mehrschichtaufbau zu einer Mischelektrode aufgebaut und anschließend unter Temperatureinwirkung zur Mischelektrode gesintert werden. Es entsteht ein Konzentrationsgradient mit intensiver und stabiler Austauschfläche, der im weitesten Sinne an einen „Klettverschluss“ erinnert. Anschließend wird ein reiner Elektrolytpressling zum sogenannten Mischelektrolyt gesintert. Die LFP-reiche Seite wird in einem weiteren Prozessschritt an eine reine LFP-Elektrode thermomechanisch sowie die Elektrolyt-reiche Seite des Mischelektrolyten in einem abschließenden Prozess mit reinem Lithium mechanisch kontaktiert. Dieser Elektrodenverbund wird elektrochemisch charakterisiert und schrittweise optimiert.

Hersteller von Sinter-, Beschichtungs-, und Handhabungsanlagen sind KMU, die für die Anpassungen an die neue Technologie Prozessinformationen benötigen. Diese KMU können damit weltweit konkurrenzfähige Anlagen und Komponenten anbieten.

Ergebniszusammenfassung:

Das Fraunhofer IPA widmete sich im Rahmen des Projekts „AlBaTross“ in den Abteilungen „Funktionalen Materialien“ sowie „Beschichtungssystem- und Lackiertechnik“ vor allem dem Grenzflächendesign und deren Realisierung mit skalierbaren Prozessen. Die Skalierbarkeit spielte bei der Auswahl der Prozesse eine besondere Rolle, da heutzutage viele Fragestellungen nur an kleinformatigen Laborknopfzellen erprobt werden können. In diesen Zellen konnte bereits identifiziert werden, dass während der Lade- und Entladevorgänge die Ausdehnung der Materialien (Elektrodenmaterial und Trockenelektrolyt) unterschiedlich stark ausfällt, wodurch es zu einem Kontaktverlust durch Spannungsrisse kommen kann. Dieses erhöht u.a. den Innenwiderstand der Zellen und reduziert somit die Speicherleistung (Wirkungsgradverlust).

Durch ein spezielles Grenzflächendesign können eine Verminderung der auftretenden mechanischen Spannungen und des damit verbundenen Grenzflächenwiderstands zwischen dem Elektrodenmaterial und der Trockenelektrolytschicht realisiert werden.

Eine weitere Möglichkeit stellen Gradientenschichten dar. Mit diesen erfolgt die Speicherung nicht nur an der Elektrodenoberfläche, sondern über nahezu das gesamte Elektrodenvolumen, wodurch der Speichervorgang beschleunigt werden kann. Dieser modifizierte Elektrodenaufbau wurde sowohl über eine nasschemische als auch trockene Prozessroute realisiert. Für die Untersuchungen wurden exemplarisch polymere und keramische Trockenelektrolyte herangezogen. Bei der Entwicklung der skalierbaren Prozesse profitierten die Wissenschaftler sowohl bei dem Nass- als auch beim Trockenbeschichtungsprozess von den Erfahrungen der Elektrodenfertigung für Lithium-Ionen-Batterien.

Aus den Forschungsfragen in diesem Projekt haben sich spannende weitere Fragestellungen ergeben, die in weiteren geförderten Projekten beantwortet werden sollen und somit die Attraktivität für die industrielle Umsetzung mit interessierten Unternehmen steigern.