Sichere Batterietechnologie führt weg von hochriskanter Chemie mit Graphit und hochnickelhaltigen Kombinationen, hin zu weniger brennbarem Lithium-Eisenphosphat und Lithium-Titanat. Bisher war dieser Weg steinig, denn Li-Ionen-Zellen mit Eisenphosphatkathoden für die Elektromobilität waren nur schwer nutzbar beziehungsweise wenig effizient in der Fertigung. Der Forschungsverbund Elektromobilität (Forelmo) hat nun sehr gut beherrschbare und zuverlässige Li-Ionen-Zellen mit hoher Strombelastbarkeit entwickelt. Damit bietet sich die Möglichkeit einer ökonomisch sinnvollen Produktion eines sicheren Kathodenmaterials.

Gefördert von der Bayerischen Forschungsstiftung beschäftigte sich der Themenbereich „Batteriesysteme“ mit der Material- und Fertigungsoptimierung für Lithium-Ionen-Zellen mit dem Kathodenmaterial Lithium-Eisenphosphat. Das Ziel, die Belastbarkeit und Prozessierbarkeit der Zellen zu verbessern, wurde erreicht.

Kathoden mit minimalem Brandrisiko

Das Ergebnis der Forschungen: Lithium-Eisenphosphat, das Kathodenmaterial mit minimalem Brandrisiko, ist nun fit für die normalen Produktionsprozesse. Bisher gab es nur die Entscheidung, entweder schnell oder sicher zu produzieren. Also weniger effiziente Produktionsprozesse mit sicheren Zellen oder hoch wirtschaftlich mit risikoreicheren Zellen. Die neuen Forschungsergebnisse von Forelmo machen zukünftig beides möglich: eine effiziente und sichere Produktion mit Kathoden mit minimalem Brandrisiko.

Jede Kathode weist Teilchen beziehungsweise Körner auf, zum einen Übergangsmetallkörner mit einer Korngröße von nicht mehr als etwa 50 Nanometern sowie Lithium enthaltende Körner. Um gute Eigenschaften bei der Hochstromfestigkeit zu erzielen, musste die Korngröße bisher sehr gering gehalten werden. Doch kleine Körner besitzen in Summe eine große Oberfläche, und diese wiederum benötigt viele Binder und ist damit für den normalen, industriellen Verarbeitungsprozess nicht geeignet. Am besten lässt sich das am Beispiel von Mehl und Stärke beim Kuchenbacken erklären. Stärke verklebt alles bis auf das kleinste Korn, und Mehl ist gut handhabbar. Chemisch gesehen ist dies beim Kathodenmaterial ähnlich, allerdings in anderen Korngrößen.

Kathodenmaterial

Bild 1: Sekundär-Agglomerate aus Lithium-Eisenphosphat-Partikeln. Johnson Matthey Battery Materials

Die Firma Johnson Matthey Battery Materials hat  im oberbayerischen Moosburg das Lithium-Eisenphosphat in Form von sogenannten Sekundär-Agglomeraten gebracht, das heißt die ursprünglich kleinen Partikel zu großen Bällen verarbeitet und diese Bälle in Korngröße gebracht (Bild 1). So können diese hochtemperaturfesten Kathoden, zusammen mit anderen Materialien, im Fabrikprozess verarbeitet werden. Auch wenn das neue Material nicht die höchste Energiedichte erreicht, kann seine normale Verarbeitbarkeit Kathoden sicherer machen. Gleichzeitig lässt sich durch die Zugabe gewisser Additive die Leitfähigkeit weiter erhöhen. Die Kathodenbestandteile können entweder als volle Kugeln ausgeführt oder als hohle Bälle genutzt werden. Im Testverfahren von Forelmo wurden aufgrund der höheren Dichte die kompakten Kugeln bevorzugt.

Auch an einer verbesserten Leitfähigkeit der Zusätze beziehungsweise Partikeleigenschaften wie Porosität und Adhäsion wurde gearbeitet. So ließ sich dank des Zusatzes von Graphen eine höhere Schüttdichte der Hohlkugeln realisieren. Das dabei angewandte Prinzip ähnelt dem Schütteln einer Dose mit Kaffeebohnen. Bei diesem Vorgang sinken Bohnen immer weiter nach unten. Irgendwann geht es nicht mehr weiter, dann ist die Schüttdichte erreicht. Eine entsprechende Vorgehensweise wurde nun im Herstellungsprozess maximiert. Dank des Zusatzes von Graphen konnte die Schnelligkeit der Elektroden nochmals erhöht werden, mit einem sehr positiven Effekt in der Größenordnung von etwa einem halben Prozent auf die Ladeschnelligkeit. Das erste Ziel des Forschungsteams, verbesserte Li-Ionen-Zellen mit dem Kathodenmaterial Lithium-Eisenphosphat für die Elektromobilität zu entwickeln, war erfüllt.

Erheblich schnellere Elektrolytbefüllung

Das zweite Ziel der Forschungsgruppe war, einen schnelleren Prozess der Elektrolytbefüllung zu ermöglichen. Und auch hier wurde das Ziel erreicht: Die Forelmo-Forschung bietet einen echten Durchbruch beim Thema Elektrolytbefüllung. Für die Füllung einer normalen Automotivzelle für Elektroautos ist bisher ein Zeitaufwand zwischen einer und acht Stunden erforderlich. Das neue Verfahren des Forelmo-Teams ermöglicht das Befüllen einer Zelle in bis zu nur einer Minute.

Am Anfang solch eines Projektes analysieren die Forscher den vorhandenen Prozess und überlegen, wo die Stolpersteine liegen. Im konkreten Fall war die Benetzung der Innenoberflächen das Problem. Bei der Frage, wie schnell sich die Batteriemasse mit Elektrolyt vollsaugt, spielen zum einen Luft und Gas in den Zellen sowie die Benetzbarkeit eine entscheidende Rolle. Letzteres wurde vom Forschungsteam optimiert. Die Lösung war sogar relativ simpel: So wie im Haushalt Teller mit Spülmittel gewaschen werden, so benetzen die Forschen die Elektroden. Natürlich mit anderen Hilfsmitteln beziehungsweise Chemikalien, aber das Prinzip ist das gleiche.

Die Benetzbarkeit der inneren Struktur durch den Elektrolyt wurde erhöht und die enorme, saugende Wirkung der Kapillarkräfte mittels Detergenzien optimal aktiviert. Eine raffinierte Verfahrensführung und die Adaption chemischer Prozesse aus anderen Industriezweigen machen diesen Durchbruch möglich. Wer das Verfahren nutzen will, hat einen echten Vorteil: Der apparative Aufwand bei der Batteriefertigung wird deutlich reduziert.

Bei der Produktion von einer Millionen Zellen etwa werden 4200 Batteriezellen pro Tag befüllt – und der Unterschied zwischen acht Stunden oder einer Minute bedeutet in einem solchen Fall nicht nur eine enorme Zeitreduzierung, sondern auch eine Anlagenoptimierung. Besonders interessant ist die Ersparnis bei Anlageninvestitionen. Zukünftige Werksplanungen kommen dank des höheren Durchsatzes mit einer Elektrolytbefüllstraße aus, statt fünf wie bisher nötig.

Die Forschungsthematik zum schnelleren Befüllverfahren wurde also erfolgreich abgeschlossen. Aktuell läuft ein Folgeantrag beim Bayerischen Wirtschaftsministerium namens „Coatemo“ zum Coating von Elektrodenmaterialien für die Elektromobilität. Graphen und weitere High-Tech-Materialien sollen soll dank dieser Forschung bald noch effektiver für die Elektromobilität einsetzbar sein.