Lithium-Ionen-Batterien: hocheffiziente Elektroden mit ultraleichten Stromsammlern auf Gewebebasis

Batterien sind eine der Schlüsselkomponenten für den Erfolg der globalen Energiewende. Sie sind unverzichtbar als stationäre Energiespeicher im Zusammenspiel mit Strom aus erneuerbaren Energien und stellen eine Grundvoraussetzung der Elektromobilität dar. Gegenwärtig steigt der Bedarf an Batterien enorm. Bereits jetzt haben laut ADAC etwa 16 % der neu zugelassenen Pkw in Deutschland einen Elektroantrieb. Zu diesem steigenden Bedarf bei der Elektromobilität kommt der steigende Bedarf an Batterien für Smartphones, Laptops, Elektrofahrrädern und die stationäre Energiespeicherung.

Lithium-Ionen-Batterien weiterentwickeln

Der wichtigste gegenwärtige Batterietyp sind Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Ihre hohe Energiedichte und Zyklenfestigkeit bieten eine hohe Reichweite für Elektrofahrzeuge zu marktfähigen Kosten. Nun gilt es, das Potenzial der Batterien durch eine Weiterentwicklung all ihrer Komponenten und deren Produktionstechnologien auszuschöpfen.

Dieses Ziel verfolgen die acht Projektpartner des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK geförderten Projektes Revolect. Die Projektpartner bündeln ihre Kompetenzen entlang der gesamten Prozesskette der Batterieproduktion. Das Projekt zielt auf die Entwicklung neuartiger Elektroden mit leichtgewichtigen Stromsammlern auf Gewebebasis für LIB mit einer ressourcenschonenden Technologie. Diese Technologie erfordert einen geringeren Einsatz von Primärrohstoffen wie Kupfer und Aluminium, verglichen mit etablierten Verfahren. Gleichzeitig ermöglicht diese Technologie höhere Energiedichten und dadurch zusätzliche Materialeinsparungen von der Zell- bis zur Systemebene. Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt ist der Einsatz von reinem Silizium als Anodenmaterial in Kombination mit der leichten Gewebestruktur der Elektroden.

Karbon- und Glasgewebe metallisieren

Der Projektpartner Porcher Industries Germany ist Spezialist für die Fertigung von Glasgeweben aus Glasfilamentgarnen. Im Projekt Revolect entwickelt Porcher Industries ultraleichte Glasgewebe aus feinen Glasfilamentgarnen als Basis für die Stromkollektoren. Parallel dazu erarbeitet die Technische Universität Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), ultraleichte Karbongewebe auf Basis einer Karbonspreiztechnologie für die hocheffizienten Elektroden.

Die entwickelten Karbon- und Glasgewebe werden von Elfolion durch vakuumtechnische Verfahren für den Einsatz als Stromkollektoren metallisiert. Das Stromkollektorbandmaterial wird zur Herstellung von Elektroden im Verbund bereitgestellt. Die Elfolion selbst strebt die Realisierung einer Zellkathode an, bestehend aus fraktalen porösen Festkörperstrukturen, die die Aktivkomponente der Elektrode darstellen. Die offenmaschige, leichte Struktur der Gewebe und die poröse Beschichtung soll gegenüber dem Stand der Technik zu deutlich reduziertem Materialeinsatz und größeren aktiven Oberflächen führen. Damit lässt sich sowohl masse- als auch volumenbezogen die Energiedichte von Batteriezellen deutlich steigern.

Verfahren zur Siliziumabscheidung herleiten

Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM), erarbeitet Prozesse zur Beschichtung der gewebebasierten Stromkollektoren mit Elektrodenmaterialien auf Slurrybasis. Dazu wird unter anderem die Pilotanlage zur Zellproduktion auf die Verarbeitung der neuartigen Materialien adaptiert. Darüber hinaus untersucht sie die Auslegung und Produktion der Batteriezellen, beruhend auf den durch die Projektpartner zur Verfügung gestellten Komponenten.

Das Ziel des Fraunhofer FEP im Projekt Revocect besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Abscheidung von Silizium auf den Gewebestrukturen. Claus Luber vom Fraunhofer FEP: „Die Siliziumschicht und die Gewebestrukturen müssen wir so aufeinander abstimmen, dass hinsichtlich der gravimetrischen Energiedichte der Anode ein Optimum erzielt wird. Das Fraunhofer FEP hat jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung von Rolle-zu-Rolle-Technologien. Darauf aufbauend werden wir einen passenden und ökonomisch attraktiven Rolle-zu-Rolle Bedampfungsprozess entwickeln.“

Der Partner Customcells beschichtet die neuartigen Substrate mit Elektrodenpaste unter industrieüblichen Bedingungen. Anschließend erfolgt mit elektrochemischen Messungen die Prüfung der Leistungsfähigkeit der Batterien.

Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte

Das Institut für Experimentelle Physik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg beschäftigt sich projektbegleitend mit der Charakterisierung der prozessierten Einzelkomponenten sowie Knopf- und Pouch-Zellen. Daraus werden Mikrostruktur-Eigenschaft-Korrelationen sowie Designvorschläge und Prozessierungsparameter für die Kooperationspartner abgeleitet.

Romonta schaltet die hergestellten Zellen zu Batteriesystemen zusammen und führt abschließende praxisbezogene Anwendungstests durch. In der Auswertung sollen Zellparameter wie Alterung und Strom-/Spannungsfestigkeit analysiert und auf die Anwendung im mobilen Bereich übertragen werden. Dadurch wird die leistungsstarke Performance der LIB sichergestellt.

LIB mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und einem geringeren Materialverbrauch gegenüber dem Stand der Technik: das ist die Ambition des Projektkonsortiums. Alle Partner des Projektes Revolect arbeiten in den nächsten drei Jahren mit Hochdruck an der anwendungsnahen Entwicklung entlang der gesamten Prozesskette zur Herstellung hocheffizienter LIB.

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