NextGen-3DBat: Strukturieren mit Lasern

Das Vorhaben NextGen-3DBat fokussiert darauf, die Energie- und Leistungsdichte, die Schnelladefähigkeit sowie die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) deutlich zu steigern. Gleichzeitig sollen die Fertigungskosten gesenkt werden. All das wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit neuen Zelldesigns ermöglichen, die sie realisieren, indem sie mit Lasern verschiedene Zellkomponenten mit geeigneten Strukturen versehen.

Eingesetzt werden fortschrittliche Elektrodenmaterialien, die deutlich mehr Energie pro Masse und Volumen speichern können und in Schichten auf den Stromableiter aufgetragen werden, die bis um das Sechsfache dicker sind als in herkömmlichen LIB. Dadurch wird die Energiedichte auf Batterie-Ebene erhöht. Die Lithium-Ionen bewegen sich innerhalb dieser Komposit-Elektroden jedoch langsamer als im Elektrolyten, sodass durch die dicken Schichten Leistungs- und Kapazitätseinbußen auftreten können. Deshalb werden im Projekt NextGen-3DBat mit speziellen Ultrakurzpuls-Lasern Kapillarstrukturen in die Aktivmaterialien eingebracht, in die der Elektrolyt spontan eindringen kann. So können die Lithium-Ionen über eine „Schnellstraße“ über den Elektrolyten in die tieferen Schichten des Aktivmaterials wandern und umgekehrt.

Flankiert werden diese Arbeiten im Projekt durch eine Separator-Entwicklung, die für mehr Stabilität bei hohen Temperaturen und mehr Sicherheit in der Zelle sorgen soll. Auch Separator und Stromableiter werden mit Lasern bearbeitet. So sollen die elektrische Anbindung und die Haftung neuartiger Hochenergie-Aktivmaterialien optimiert werden, sodass die Lebensdauer der Zelle erhöht wird.

Durch die eingebrachten Mikrostrukturen wird auch der Zellstapel – bestehend aus Elektroden und Separatoren – schneller mit flüssigem Elektrolyt benetzt und damit die Zellleistung erheblich verbessert. Außerdem verkürzen sich Elektrolyt-Befüllzeit und Produktionszeit signifikant. Auf verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette einer Batterie können so Produktionskosten gespart werden.

Das im Labormaßstab erarbeitete 3D-Batteriekonzept soll auf großformatige Zellen und die Laserprozesse auf ein industrielles Fertigungsniveau übertragen werden. Ziel ist die Herstellung von Demonstratorzellen mit einer Kapazität von 20 Amperestunden in einem Hochgeschwindigkeitsprozess im sogenannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Es sollen erstmals Kenndaten der neuen Hochenergie- und Hochleistungs-Batterietypen sowie Prozessdaten zu deren wirtschaftlichen Herstellung ermittelt werden.

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