Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien hoher Energiedichte mit Elektroden auf Basis dreidimensionaler Stromabnehmer

Eine der größten Herausforderungen im Mobilitätssektor liegt in der Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien (LIB), um die Batteriekosten zu senken und die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Hierfür muss die Masse der inaktiven Elektrodenkomponenten reduziert werden. Dies kann durch Erhöhung der Massenbeladung der Elektroden-Aktivmaterialien erfolgen. Die traditionelle Elektrodenarchitektur basiert jedoch auf dünnen Elektrodenschichten, die auf Metallfolien aufgetragen werden und erlaubt keine weitere Steigerung der Beladung.

Ziel des Projekts ist die Realisierung von innovativen Elektrodenarchitekturen auf der Basis von dreidimensionalen (3D) Stromabnehmern, z. B. Metall- und Graphitschäumen, Kohlenstoffpapieren oder Streckmetallen. 3D-Stromabnehmer zeichnen sich durch ein 3D-Leitfähigkeitsnetzwerk aus, das auch bei hohen Aktivmassebeladungen einen schnellen Elektronentransport durch die gesamte Elektrodenstruktur ermöglicht.

Auf der Anode soll ein siliziumbasiertes Kompositmaterial zum Einsatz kommen. Mit seiner enormen Speicherkapazität hat Silizium entscheidende Vorteile gegenüber dem Standard-Anodenmaterial Graphit. Auf der Kathode soll Lithiumnickelcobaltmanganoxid (NCM) eingesetzt werden. NCM ist für Applikationen geeignet, die einen hohen Energieinhalt erfordern, z. B. Elektrofahrzeuge oder portable elektronische Geräte. Auf Zellebene lässt sich mit 3D-strukturierten Stromabnehmern eine deutliche Steigerung der gravimetrischen Energiedichte von 25-35% gegenüber folienbasierten Elektroden abschätzen. Beide beschriebenen Materialrouten für die Anoden- sowie die Kathodenherstellung werden im Technikumsmaßstab demonstriert.

Von den Ergebnissen profitieren KMUs als Hersteller von 3D-Stromabnehmermaterialien sowie von Elektroden für LIB sowie Unternehmen des Anlagenbaus, die wesentliche Informationen für die Anpassung der Beschichtungstechnologie für die Herstellung von 3D-strukturierten Elektroden erhalten.

Ergebniszusammenfassung:

Bisherige Entwicklungen im Bereich der Elektrodenherstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) konzentrieren sich häufig auf die Verwendung von Metallfolien als Stromabnehmer. Bei diesen Elektroden wird allerdings aufgrund der begrenzten Massenbeladung an Aktivmaterialien die theoretisch mögliche Energiedichte der Batterie nicht annähernd erreicht. Eine wichtige Stellschraube zur Steigerung der Energiedichte der LIB sind Elektrodenarchitekturen, die auf 3D-Stromabnehmerstrukturen basieren.

Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde daher erstmalig der Einfluss von verschiedenen 3D-Stromabnehmern (Metall- bzw. Graphitschäumen, Kohlenstoffpapier und Streckmetallen) auf die Beladung der Elektroden und die Leistungsfähigkeit von LIB systematisch untersucht. Die Machbarkeit dieses technologischen Ansatzes konnte im Projektverlauf erfolgreich demonstriert werden. Als wichtigstes Ergebnis wurden innerhalb dieses Projektes die Funktionalität verschiedener 3D-Stromabnehmer mit Beladungen nachgewiesen, die auf Basis von Stromabnehmerfolien nicht möglich sind. Die Überführung der entwickelten Anoden- und Kathodenmaterialien auf Basis flacher Stromabnehmer in den Technikumsmaßstab konnte erfolgreich durchgeführt werden. Schwieriger gestaltete sich die Überführung in den Technikumsmaßstab mit Aktivmaterialien auf Basis von 3D-Stromabnehmern. Hier gab es zum einen Probleme mit der Verfügbarkeit dieser Materialien am Markt und zum anderen waren die verfügbaren Materialien nicht für Rolle zu Rolle Prozesse geeignet.

Die im Vorhaben erzielten Ergebnisse bilden eine gute Basis für die zukünftige Weiterentwicklung der LIB Technologie. Der wirtschaftliche Nutzen der im vorliegenden Vorhaben erzielten Resultate adressiert daher in erster Linie kleine und mittelständische Unternehmen aus der Batterie- und Zulieferindustrie. Für LIB-Systeme im Leistungsbereich von einigen Kilowattstunden besteht in den Marktsegmenten stationäre Energiespeicher und Automobile ein erhebliches Marktpotenzial.