ProFeLi - Produktionstechnik für Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen (LIZ) kann durch den Wegfall der brennbaren Elektrolytflüssigkeit in Festkörperbatterien (FKB) potenziell erheblich verbessert werden. Eine dichte Festelektrolytschicht ermöglicht den Einsatz von Lithium-Metall als Anode, um die Energiedichte gegenüber konventionellen LIZ um bis zu 70 % zu steigern. Trotz vielversprechender Ergebnisse im Labormassstab gibt es aktuell nur wenige veröffentlichte Arbeiten zur Hochskalierung. Insbesondere Zell-, Stapel- und Gehäusedesign von großformatigen FKB sind aktuell noch unklar.

Für die Produktionstechnik ergeben sich daraus bei der Verarbeitung der neuen Zellmaterialien große Herausforderungen: Dies umfasst u. a. die erzielbaren Schichtdicken für konkurrenzfähige Energie- und Leistungsdichten und die Verarbeitung von adhäsivem und reaktivem Lithium-Metall, sowie gezielte Oberflächenmodifikation und Herstellung geeigneter Schutzschichten zur Unterbindung von unerwünschten Nebenreaktionen. Die Verwendung keramischer Materialien erfordert neuartige Produktionsverfahren. Viele Festelektrolyte sind sehr empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und müssen teils bei hohen Temperaturen gesintert werden. Ziel des Projekts "ProFeLi"ist deshalb eine umfassende produktionstechnische Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette für die Herstellung von FKB. Dabei sollen anodenseitig die Herstellung und Verarbeitung von dünnen Lithium-Metall-Schichten und Schutzschichten erforscht werden, wohingegen für Kathoden und Festelektrolyte die Untersuchung von Mehrschichtsystemen im Vordergrund steht. Hierbei soll insbesondere untersucht werden, welche Atmosphäre (Trockenheit, Schutzgas) für die Verarbeitung der neuartigen Materialien notwendig ist. Des Weiteren sollen Stapel- und Gehäusekonzepte für FKB entwickelt werden, wobei die Volumenausdehnung der Aktivmaterialien während des Lade- und Entladevorgangs eine große Rolle spielt und simulationsgestützt berücksichtigt werden soll. Um ein bipolares Zellstapeldesign zu ermöglichen, werden geeignete Stromableiterfolien entwickelt, die sowohl gegenüber dem Anoden- als auch dem Kathodenpotential stabil sind.

Finales Ziel des Projektes ist der Aufbau eines Funktionsdemonstrators zur Herstellung von FKB. Hierzu wird die notwendige Anlagentechnik zur Zellassemblierung entwickelt und aufgebaut, anschließend werden FKB hergestellt und anhand automobiler Anforderungen getestet.

Das Konsortium besteht aus zwei deutschen Forschungseinrichtungen (Technische Universität München: Institut für Werkzeugmaschinen & Betriebswissenschaften (iwb) und Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES), Forschungszentrum Jülich GmbH) sowie sieben deutschen Unternehmen (Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG, ElringKlinger AG, GS GLOVEBOX Systemtechnik GmbH, J. Schmalz GmbH, Volkswagen AG, Zwick GmbH & Co. KG).