ProLiMa: Lithium-Anoden in Großserie

Setzt man Lithium-Metall-Anoden anstelle von konventionellen Graphit- oder Silicium-basierten Anoden ein, kann dies dazu beitragen, die Energiedichte und Ladegeschwindigkeit einer Batterie zu erhöhen und deren Herstellungskosten zu reduzieren. Zudem lässt sich diese Art der Elektrode mit vielen verschiedenen Kathodenmaterialien und Elektrolytzusammensetzungen kombinieren. Allerdings wurde das Know-how, um Lithium-Metall zu prozessieren, bislang nicht ausreichend erarbeitet, um damit Batterien in Großserie fertigen zu können. Das soll nun im Projekt ProLiMa nachgeholt werden. In dem Verbundprojekt werden die einzelnen Prozessschritte von der Handhabung über die Konfektionierung bis zur Kontaktierung der Lithium-Metall-Folie untersucht und Lösungen für bestehende Probleme erarbeitet.

Den Vorteilen von Lithium-Metall-Anoden stehen mechanische und chemische Materialeigenschaften des Lithiums gegenüber, die sowohl für die produktseitige Integration der Lithium-Metall-Anoden als auch für den Fertigungsprozess der Batteriezelle besondere Herausforderungen bedeuten. Es werden sehr dünne Folien benötigt, die flacher als 50 Mikrometer sein müssen, um in Batterien eingesetzt werden zu können. Diese haben eine geringe mechanische Festigkeit und tendieren dazu, an Werkzeugoberflächen haften zu bleiben. Alle Maschinen müssen das Material besonders vorsichtig handhaben und verarbeiten. Denn entstehen dabei Oberflächendefekte wie Risse, verursachen diese eine erhöhte Ladungsträgerdichte, aus denen zellschädigende Dendrite wachsen können. Lösen sich Lithium-Metall-Partikel – etwa beim Zuschneiden der Folien –, können diese die Werkzeuge oder die Anodenoberfläche kontaminieren, was die Zyklenstabilität und die Kapazität der gefertigten Zellen maßgeblich verschlechtert.

Eine weitere Kontaminationsart auf der Anodenoberfläche entsteht, wenn das Lithium mit den Elementen der umgebenden Prozessatmosphäre chemisch reagiert. Dann bilden sich Schichten aus, deren Dicken und Topographien nicht mehr einheitlich sind, und Materialeigenschaften aufweisen, die von denen des Lithium-Metalls abweichen und die Verarbeitungsprozesse maßgeblich beeinflussen.

Insbesondere in der Konfektionierung, Handhabung zur Stapelbildung und der Kontaktierung müssen die Prozesse und die Prozesstechnik an das neue Material angepasst werden, um eine beschädigungsfreie und kontaminationsarme Verarbeitung der Lithium-Metall-Anoden sicherzustellen. Das Projekt ProLiMA hat zum Ziel, das zu erarbeiten und eine materialgerechte Prozessatmosphäre zu entwickeln. Abschließend werden die Prozesse zu einem ganzheitlichen Zellbaukonzept verknüpft, das die Skalierung zu einer effizienten industriellen Prozessierung von Lithium-Metall-Anoden aufzeigen soll.