MaLiBa: Oberfläche „liebt“ Lithium

Wissenschaftler des Fraunhofer IWS um Dr. Holger Althues haben ein innovatives Verfahren entwickelt, mit dem sie kosteneffizient dünne Lithium-Metall-Anoden aus geschmolzenem Lithium herstellen können. In dem Verbundprojekt MaLiBa versuchen das Dresdner Institut mit den Unternehmen hpulcas und der Prüfgesellschaft SGS sowie Wissenschaftlern um Prof. Dr. Jürgen Janek von der Justus-Liebig-Universität Gießen einige kritische Probleme zu lösen, um den Prozess in die Industrie überführen zu können.

Die Lithium-Metall-Anode wird bereits in Lithium-Schwefel-Zellen eingesetzt, um Rekordwerte von mehr als 400 Wattstunden pro Kilogramm zu erreichen. Die besten Lithium-Ionen-Batteriezellen erreichen im Vergleich dazu derzeit 250 bis 300 Wattstunden pro Kilogramm. Auch für die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterien zu Festkörperbatterien sind Lithium-Metall-Anoden von hoher Bedeutung.

Bislang werden Lithiumfolien vor allem über Walzverfahren hergestellt. Sehr dünne Schichten lassen sich damit aber nur sehr aufwendig produzieren. Dazu setzt man Hilfsstoffe ein, welche die Oberfläche chemisch verunreinigen. Dadurch ist die Qualität der Folien nicht hoch genug, um damit langlebige Batterien herstellen zu können.

Das Fraunhofer IWS arbeitet bereits seit einigen Jahren an einer neuen Technologie. „Wir sind in der Lage, dünne Nickel- und Kupferfolien so zu behandeln, dass eine Beschichtung mit geschmolzenem Lithium möglich wird“, sagt Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS. Normalerweise bilden sich Kugeln aus, wenn flüssiges Lithium auf eine unbehandelte Kupfer- oder Nickelfolie aufgebracht wird. Ein Benetzen des Stromkollektors ist so nicht möglich.

Diesen Effekt umgehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, indem sie eine sogenannte „lithiophile“ – also eine „Lithium-liebende“ – Oberfläche auf die Kupfer- oder Nickelfolie aufbringen. Die Lithium-Atome zieht es dadurch vielmehr auf die Oberfläche der Folie, anstatt sich an den anderen Lithium-Atomen „festzuhalten“ und Kugeln zu bilden. Sie verteilen sich gleichmäßig auf der Nickel- oder Kupferfolie.

Diese Technologie lässt sich im gängigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf industrielle Maßstäbe hochskalieren. Weil die Lithium-Schicht noch zu leicht mit anderen Substanzen reagiert, versuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt MaLiBa schließlich, deren Oberfläche so zu behandeln, dass sie stabiler wird.