ZSW und Industrie entwickeln Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen

Im Forschungsprojekt Performanz forschen das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und vier Industrieunternehmen an neuen Konzepten für Speichermaterialien von Lithium-Ionen-Batterien. Die eingesetzten Komponenten und der Zellaufbau sollen die Energiedichte steigern und gleichzeitig den Einsatz kritischer Rohstoffe wie Kupfer, Kobalt, Nickel und Naturgraphit deutlich reduzieren. Neben dem ZSW sind die Bender Maschinenbau und Streckmetallfabrik, der Materialhersteller Wacker, der Batteriespezialist Varta und als assoziierter Partner die BMW Group beteiligt. Das Vorhaben läuft bis zum 30. November 2024 und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 2,5 Millionen Euro gefördert.

Hochenergiematerial für die Anode

Heutige Hochenergiezellen verwenden als Anodenmaterial hauptsächlich Graphit. Silicium kann jedoch gut zehnmal mehr Lithium speichern. Dadurch kann die Energiedichte der Zelle deutlich höher sein, was der Reichweite von E-Autos zugute kommt. In kommerziellen Zellen ist jedoch nur maximal fünf Prozent Silicium dem Grafit beigemischt. Das liegt unter anderem daran, dass Silicium im elektrochemische Speicherprozess das Volumen sehr stark ändert und Material und Elektrode dadurch stark schädigt, was wiederum die Lebensdauer der Zelle verkürzt. Das Forschungsvorhaben soll für dieses Problem ein Lösungskonzept erarbeiten. Ansatzpunkt sind das Material- und das Zelldesign. Die Materialien sind dabei so ausgelegt, dass sie sich direkt in üblichen Fertigungsprozessen für Elektroden einsetzen lassen. Diese Materialien entwickelt Wacker.

Neue Ableiterstrukturen für die Elektroden

Kommerzielle Lithium-Ionen-Zellen setzen metallische, geschlossene Ableiterfolien für die Elektroden ein. Diese bestehen aus Kupfer (Anode) und Aluminium (Kathode) und müssen mit energieintensiven Verfahren gewonnen werden. Im Gegensatz zu den üblichen Ableitern setzt das BMBF-Projekt auf Leichtbauweise und Durchlässigkeit. Eine neuartige Ableiterstruktur reduziert den Einsatz an Kupfer und Aluminium deutlich, ohne dass die Verarbeitungseigenschaften leiden. Das spart Ressourcen, senkt Materialkosten und erhöht gleichzeitig die spezifische Energie der Zelle. Zudem sollen sich kostenaufwendige und qualitätsrelevante Prozessschritte wie beispielsweise die Elektrolytbefüllung deutlich verkürzen, ohne dass Qualität und Sicherheit der Zelle leiden.

Und schließlich wollen die Forscher eine weitere Einschränkung der Siliciumanode beseitigen: Das Kathodenmaterial beinhaltet das gesamte für den Speichervorgang in der Zelle erforderliche Lithium. Ein Teil dieses Lithiums wird jedoch beim erstmaligen Laden der Zelle, der sogenannten Formierung, vom Silicium gebunden und geht so für die Speicherung verloren. Damit verbleibt ein entsprechender Teil des Kathodenmaterials ungenutzt in der Zelle, mitsamt den Rohstoffen. Neue Verfahrensschritte sollen diesen Lithiumverlust ausgleichen und damit die vollständige Nutzung des Kathodenmaterials ermöglichen. Die Ableiterstrukturen entwickelt die Bender Maschinenbau und Streckmetallfabrik.

Vertikale Beschichtungsprozesse

Alle Verbesserungen sollen in industrienahe Herstellprozesse umgesetzt werden, um im Pilotmaßstab leistungsfähige und sichere Batterien bauen zu können. Das Projekt erforscht schwerpunktmäßig den Einsatz einer vertikalen Beschichtungstechnologie und hat dafür eine neue Anlage am ZSW in Ulm etabliert. Projektziel ist es, hochleistungsfähige, leichte Elektroden in einem industrierelevanten Rolle-zu-Rolle-Prozess herzustellen und in Demonstratoren am ZSW zu verifizieren. Parallel führt Varta die Ergebnisse des Projekts in die Produktion von gewickelten Knopfzellen und 21700-Rundzellen ein. Die BMW Group begleitet das Projekt im Hinblick auf die Anforderungen zum automobilen Einsatz und in Fragen der Industrialisierung.