ProfiStruk - Prozess- und Anlagenentwicklung zur prozessintegrierten Inline-Strukturierung von Lithium-Ionen-Elektroden

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) stellen die Schlüsselkomponente elektrischer Energiespeicher dar. Die Verbesserung ihrer Eigenschaften bietet enormes Potenzial für eine erhöhte Marktdurchdringung der Elektromobilität. Die Beschaffenheit der Elektroden definiert zahlreiche Eigenschaften der LIB, wie beispielsweise die verfügbare Kapazität, Schnellladefähigkeit und Leistungsbereitstellung. Die Einbringung von Strukturen in Elektroden stellt einen bewährten Ansatz zur Steigerung der Zellperformance dar. Im Projekt ProfiStruk werden Verfahren zur Strukturierung von Elektroden und deren Integration in die Produktionsprozesskette untersucht.

Ratenfähigkeit von LIB begrenzt

Beim Laden und Entladen von LIB wird Lithium in die Aktivmaterialien ein- bzw. ausgelagert. Durch die poröse Struktur der Elektroden sind die dem Stromableiter nahen Bereiche der Elektrode nur über einen hohen Widerstand in der Elektrolytflüssigkeit zugänglich. Besonders bei schnellem Laden bzw. Entladen führt dieser Widerstand zu einer verringerten verfügbaren Kapazität. Es bauen sich Konzentrationsgradienten in der Elektrolytflüssigkeit auf, welche ein gleichmäßiges Beladen der Elektroden verhindern. Dies führt zu einer beschleunigten Alterung der Zelle.

Die Einbringung von Strukturen in die Elektroden stellt einen bewährten Ansatz zur Verringerung dieser Überpotentiale und Konzentrationsgradienten dar. In Zahlreichen Forschungsvorhaben und Publikationen wurde das Potenzial dieser Methode nachgewiesen. Zur Strukturierung wurden v. a. laserbasierte Verfahren, aber auch Druck- bzw. Sinterverfahren eingesetzt. Alle bisher untersuchten Verfahren weisen eine deutlich zu geringe Prozessgeschwindigkeit auf und können nicht in den kontinuierlichen Fertigungsprozess eingebunden werden.

Neue Verfahren zur prozessintegrierten Strukturierung

Im Projekt ProfiStruk wird deshalb die Entwicklung von Prozess- und Anlagentechnik zur Inline-Strukturierung von Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Zellen zum Ziel gesetzt. Der Fokus liegt dabei auf mechanischen und verfahrenstechnischen Prozessen; laserbasierte Verfahren dienen primär zur Strukturvalidierung und Werkzeugauslegung.

Das Konsortium besteht aus drei deutschen Forschungseinrichtungen (TU München: Institut für Werkzeugmaschinen & Betriebswissenschaften (iwb), TU Braunschweig: Institut für Partikeltechnik (iPAT) und Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs)). Projektträger für dieses Vorhaben ist die Forschungszentrum Jülich GmbH.

Der Dank gilt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung des Forschungsprojektes ProfiStruk (Förderkennzeichen: 03XP0244A) und dem Projektträger Jülich für die administrative Betreuung.