FELIZIA - Festelektrolyte als Enabler für Lithium-Zellen In Automobilen Anwendungen

Die Traktionsbatterie ist die Schlüsselkomponente für eine erfolgreiche Etablierung von Elektrofahrzeugen auf dem Markt. Festkörperbatterien (engl. All-Solid-State Battery) bieten gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien deutliche Vorteile bezüglich Sicherheit und Energiedichte. Aktuell befindet sich diese Technologie allerdings noch im Forschungsstadium. Um eine großindustrielle Produktion zu ermöglichen, forscht das iwb deshalb entwicklungsbegleitend an Herstellungsprozessen für Festkörperbatterien.

Die Elektromobilität ist eine Schlüsselkomponente für den Erfolg der Energiewende. Hierbei spielt die Energiespeicherung eine entscheidende Rolle. Bisherige Batteriesysteme erfüllen nicht das gesamte Anforderungsprofil – die Reichweite, Sicherheit und auch die Kosten von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sind für die Mehrheit der Endnutzer noch nicht zufriedenstellend. Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Energiedichte sind bei konventionellen Lithium-Ionen-Batterien jedoch nahezu ausgeschöpft. Neuartige Materialien sollen helfen, diese weiter zu steigern. Lithium-Festkörperzellen besitzen anders als herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen keinen flüssigen, sondern einen Festkörper-Elektrolyten, der zusätzlich auch als Separator dient. Der Festelektrolyt ist gegenüber hohen Zellspannungen stabil und ermöglicht somit höhere Energiedichten bei einer verbesserten Sicherheit.

Das übergeordnete Ziel des Projekts FELIZIA sind sichere Lithium-Zellen mit langer Lebensdauer und signifikant erhöhter Energiedichte auf Basis von Festelektrolyten. Während Verfahren zur Herstellung von Festkörperzellen im Labormaßstab bereits intensiv untersucht werden, gibt es keine Erfahrungen, ob und wie diese Verfahren in einem großtechnischen Maßstab umgesetzt werden können. Zielstellung ist deshalb neben der Erforschung einer Festkörperbatterie und der Prüfung ihrer Eignung für automobile Anwendungen deren Industrialisierung. Das iwb sichert diese durch eine entwicklungsbegleitende Betrachtung der Produktionsschritte ab.

In enger Kooperation mit den Projektpartnern sollen die verschiedenen Prozessschritte zur Herstellung von Festkörperzellen recherchiert und analysiert werden. Diese werden anschließend mit Produktionsverfahren zur Herstellung herkömmlicher Zellen verglichen. Prozesse, die nicht von der konventionellen Zellfertigung übertragen werden können, werden am iwb detailliert untersucht. Des Weiteren sollen bei der Entwicklung der Zellen die Methodiken Design-for-Manufacturing bzw. Design-for-Assembly eingesetzt werden, um spätere kostenintensive, produktionsbedingte Änderungen am Produkt zu vermeiden. Abschließend wird ein Industrialisierungskonzept für die Herstellung von Festkörperzellen vorgeschlagen.

Nach ersten Untersuchungen steht fest, dass sich die Prozesskette zur Herstellung von Festkörperzellen in mehreren Aspekten von der konventionellen Batterieproduktion unterscheiden wird. So fallen insbesondere der aufwendige Befüll- und ggf. auch der teure Formierprozess weg, während insbesondere die Herstellung der Festelektrolyt-Trennschicht eine neue Herausforderung birgt. Auch die Umweltanforderungen und die mechanischen Eigenschaften der neuen Materialien sind für die Produktion von besonderem Interesse. Zentrales Ergebnis des iwb wird das Konzept zur Industrialisierung von Festkörperbatterien darstellen, aus dem hervorgeht, wie eine Umsetzung der Zellherstellung im großindustriellen Maßstab möglich ist.

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