ProFeLi: Lithium-Metall-ASSB-Fertigung

Die Fertigung von Festkörperbatterien (FKB, oder ASSB für All-Solid-State-Batterie) mit Lithium-Metall-Anode steht aufgrund vielversprechender Eigenschaften des Batteriesystems im Fokus der aktuellen Forschung. Trotz guter Ergebnisse im Labormaßstab gibt es aktuell nur wenige veröffentlichte Arbeiten dazu, wie sich diese Batterien im industriellen Maßstab herstellen lassen. Das Ziel des Verbundvorhabens ProFeLi ist deshalb, die gesamte Wertschöpfungskette zur Herstellung von Lithium-Metall-FKB umfassend produktionstechnisch zu betrachten.

Im Bereich der Anode soll erforscht werden, wie extrem dünne Lithium-Metall-Schichten hergestellt, verarbeitet und darauf Schutzschichten erzeugt werden können. Bei den Kathoden und Festkörperelektrolyten wird untersucht, wie sich Systeme aus mehreren Schichten fertigen lassen. Dabei steht die Frage im Vordergrund, wie die Atmosphäre (Trockenheit, Schutzgas) beschaffen sein muss, damit ihre Bestandteile nicht mit den neuartigen Materialien reagieren.

Damit sich die Elektroden während des Lade- und Entladevorgangs ausdehnen und zusammenziehen können, ohne dass dies zu Kapazitätsverlusten und eingeschränkter Lebensdauer führt, soll ein geeignetes Zelldesign erarbeitet werden. Dazu soll auch ein tieferes Verständnis der ablaufenden Mechanismen bei der Volumenänderung durch Simulationsexperimente erlangt werden.

Darüber hinaus soll ein sogenanntes „bipolares“ Zellstapeldesign ermöglicht und dafür geeignete Stromableiterfolien entwickelt werden. Dieser Aufbau, bei dem Einzelzellen direkt aufeinander gestapelt und in Reihe geschaltet werden, bietet diverse Vorteile: So kann eine deutlich höhere Zellgesamtspannung realisiert und die Batterien können bei gleicher gespeicherter Energie kompakter gebaut werden.

Um die verschiedenen Fertigungsschritte einer Festkörperbatterie mit Lithium-Metall-Anode zu untersuchen, wird im Rahmen des Projekts ein sogenannter Funktionsdemonstrator aufgebaut – eine kleine Fertigungslinie. Damit werden großformatige Lithium-FKB hergestellt, deren elektrochemische Eigenschaften charakterisiert und anhand automobiler Anforderungen getestet werden.

Geeignete Fertigungsprozesse sollen zum Projektende vom Labor- auf den industriellen Maßstab übertragen werden. Eine abschließende Wirtschaftlichkeitsbewertung soll ermöglichen, die eine Produktkosten abzuschätzen, und eine Vergleichsbasis zur der Herstellung von konventionellen Lithium-Ionen-Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyten schaffen.

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