BiSSFest – Entwicklung einer Festkörperbatterie
Festkörperbatterie als Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie
In der heutigen Zeit sind Lithium-Ionen-Batterien aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie sind in Handys, Notebooks und in E-Bikes. Jedoch steigen die Anforderungen an Akkumulatoren bzw. Batterien auch immer weiter, die Forschung nach neuartigen Batteriesystemen wird immer wichtiger. Die Festkörperbatterie bietet den nächsten Schritt zu einer höheren Energiedichte und das bei gleichzeitig höherer Sicherheit!
Prinzip einer Festkörperbatterie
Wie bereits der Name andeutet, wird der bisher verwendete flüssig Elektrolyt bei Festkörperbatterien (im Englischen solid state batteries) durch einen festen Li-Ionenleiter ersetzt. Durch das Wegfallen des meist organischen Elektrolyten sinkt die Entflammbarkeit der gesamten Batterie. Als besonders vielversprechend haben sich die Sulfid-basierte Materialklasse herausgestellt. Diese besitzen eine hohe Li-Ionenleitfähigkeit mit einhergehender guter mechanischer Verarbeitbarkeit.
Projektbeschreibung
Das Forschungsprojekt „Bipolare Stapelung sulfidischer Festkörperbatterien – BiSSFest“ hat sich das Ziel gesetzt skalierbare Technologien entlang der Wertschöpfungskette zu entwickeln, bei gleichzeitiger Evaluierung der Skalierbarkeit vom Labor- zum Produktionsmaßstab. Der Einsatz eines Festelektrolyten erlaubt zusätzlich eine Bipolare-Stapelung der Elektroden, bei der die Einzelzellen direkt aufeinandergestapelt und seriell geschaltet werden. „Bipolar“ bezieht sich dabei auf den Elektrodenaufbau, in welchem die Elektrodenträger sowohl die Aktivmaterialien für die Kathode der Batterie sind, als auch auf der Rückseite die Aktivmaterialien für die Anode. Dieser Aufbau erhöht die Zellspannung und führt zu Materialeinsparungen durch reduzierte Kontaktierungen der Stromableiter, sodass die Energiedichte weiter gesteigert werden kann.
Die BiSSFest Projektpartner
Das Projektkonsortium besteht aus acht Partnern entlang der gesamten Wertschöpfungskette einer Batterieproduktion. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) deckt die Synthese der sulfidischen Festkörperelektrolyten ab, unter anderem Li6PS5Cl, welches im Zuges des Projektes durch eine mechano-chemische Synthese hergestellt werden soll. Die Netzsch-Feinmaltechnik GmbH entwickelt dafür eine skalierfähige Mühle in der die Synthese im kg-Maßstab stattfindet. Wir von IBUvolt beschichten daraufhin das Kathodenaktivmaterialien Lithium Nickel-Mangan-Cobaltoxide mit eigens entwickelten inerten Oxiden, welche das Material stabilisieren. Die erhaltenen Kompositmaterialien werden anschließend hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performance vom der Wilhelms-Universität Münster getestet.
Die Anoden aus Lithium-Metall werden in zwei Ausführungen (separatorseitig und stromsammlerseitig) am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik hergestellt. Die Elektroden für Festkörperbatterien werden aus den Kompositmaterialien vom Institut für Partikeltechnik der technischen Universität Braunschweig gefertigt und die Zellfertigung für die bipolare-Stapelung findet im Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik statt. Die so entwickelten neuartigen Zellen werden daraufhin mit der Expertise der EL-CELL GmbH getestet. Abschließend wird die skalierbare Produktion der Zellfertigung von der Custom Cells Itzehoe GmbH umgesetzt.
Derzeitiger Projektstand und Ziele
Durch den Einsatz eines Festkörperelektrolyten erhöhen sich auch die Ansprüche an das Kathodenaktivmaterial. Lithium Nickel-Mangan-Cobaltoxide, die derzeit in Flüssigbatterien Einsatz finden, müssen erst zusätzlich stabilisiert werden. Die Stabilisierung findet durch eine Beschichtung mit diversen inerten Oxiden statt, um eine Reaktion des Aktivmaterials mit dem Feststoffelektrolyten zu unterbinden. Hier kommt unsere ins Spiel! Durch unser Portfolio an nanoskaligen Oxiden haben wir Zugriff auf eine breite Auswahl an geeigneten Beschichtungsmaterialien. Jahrzehntelange Erfahrungen in der thermischen Verfahrenstechnik und eine Reihe von Pilotanlagen unterschiedlicher Größen gibt uns die Möglichkeit, ein kontinuierliches Beschichtungsverfahren zu entwickeln.
Beschichtung des Kathodenmaterials
Für die Beschichtung selbst wurden verschiedene Ansätze verfolgt. Zunächst wurden im Labormaßstab Beschichtungen mittels Pechini-Verfahren durchgeführt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung fester (nicht)metallischer anorganischer oder hybridpolymerer Materialien aus kolloidalen Dispersionen. Durch eine Weiterverarbeitung der Sole lassen sich Pulver, Schichten oder Aerogele erzeugen.
Um die Skalierbarkeit sicherzustellen und um einen kontinuierlichen Prozess zu etablieren, wurden weitere Versuche an unseren nativen Pulsationsreaktoren durchgeführt, bei denen die Ansatzherstellung über Feststoffe bzw. wässrigen Suspensionen erfolgte. Um eine Vergleichbarkeit sicherzustellen, wurde die Beschichtung in einem Intensivmischer durchgeführt.
Die erhaltenen Kompositmaterialien wurden an die Projektpartner verschickt, bei denen sie auf ihre Eignung für Batteriesystemen getestet wurden. Die Projektpartner konnten mit ihnen bereits Festkörperbatterien herstellen und auf ihre Leistung hin überprüfen. Auch war es möglich, bipolar-gestapelte Batteriezellen zu generieren. Für beide Systeme wird bis zum Projektende noch an der Zykenstabilität und an der Kapazität durch geeignete Materialoptimierung geforscht.