Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Um die nominale Energiedichte moderner Batteriesysteme deutlich zu erhöhen und die Betriebssicherheit zu gewährleisten, wird zunehmend Festelektrolyt in der Industrie erforscht. Es gibt eine breite Palette solcher Materialien, wie etwa Polymerelektrolyt, Schwefel- und oxidische Keramikverbindungen. Diese festen Elektrolytmaterialien unterscheiden sich in ihren mechanischen Eigenschaften, ihrer ionischen Leitfähigkeit und ihrer chemischen Zusammensetzung. Ein besonderer Fokus der Wissenschaft liegt auf der Verwendung keramischer Festelektrolyte. Durch deren vollständige Oxidation geht von diesen Materialien keine Brandgefahr aus. Seit mehr als 20 Jahren wird an der Variation der chemischen Zusammensetzung dieser Materialien gearbeitet und seit wenigen Jahren erreichen diese unter Berücksichtigung der ionischen Transferzahl eine ähnliche ionische Leitfähigkeit wie aktuelle Flüssig-elektrolytmaterialien [1]. Der größte Vorteil keramischer Festelektrolyte ist die Möglichkeit, metallisches Lithium als Anodenmaterial verwenden zu können. Dieses besitzt eine theoretische Kapazität von 3860 mAh/g und hat damit eine 10-mal so hohe Kapazität wie Graphit (Anode in der LIB) mit 372 mAh/g. Zurzeit scheitert der Bau einer zyklenfesten Feststoffbatterie (Li(Na)MSSB, AFSSB, Abb. 1) an der nicht ausreichenden Kontaktoberfläche zwischen Festelektrolyt (raue Keramik, siehe Abb. 3) und Anode [2]. An dieser kritischen Grenzfläche, die aktuell noch die Langzeitstabilität der AFSSBs (auch Li(Na)MSSBs) limitiert, wird CoCoBatt mit einem dedizierten Grenzflächendesign ansetzen. Für die kritische Grenzfläche gibt es zwei grundsätzliche Lösungsansätze. Erstens: Li(Na)MSSB, der anodenseitige Stromsammler kann zuerst mit metallischem Li(Na) beschichtet werden [3], allerdings muss dabei in inerter Atmosphäre prozessiert werden, ein teurer Prozessschritt in einer industriellen Fertigungsstraße. Zweitens AFSSB, für ein anodenfreies Zellkonzept ist anodenseitig die Realisierung eines großflächigen Grenzflächenkontaktes zum Keramikelektrolyt die Herausforderung. Hier haben die leicht brüchige Elektrolytkeramik und der darauf flächig aufzubringende, möglichst dünne Stromsammler (Kupfer) widerstreitende Erfordernisse. Je höher der Druck ist, mit dem die mit Lithium beschichtete Kupferfolie mit der Keramik verpresst wird, desto geringer der Kontaktwiederstand. Der Preis ist dabei das Eintragen von Rissen in die Keramik. Sowohl die geringe Anzahl von Metall-Keramik Kontaktpunkten, als auch die durch das Verpressen entstehenden Risse in der Keramik führen beim späteren Zyklieren zur Bildung von metallischen Lithium Mikro- und Nanostrukturen an der Grenzfläche. Dies schließt die Zelle bei geringen Zyklenzahlen kurz. [3]
Praktikable Lösungsansätze für dieses Dilemma sind Kupferbeschichtungen, die ohne mechanischen Druck auskommen. Dazu zählen ALD, CVD- und PVD-Prozesse (Atomic Layer, Chemical oder Physical Vapour Deposition), diese können Kupfer-schichtstärken von mehreren μm auf großen Oberflächen, jedoch nicht wirtschaftlich, abbilden. Auch die elektrochemische (ECD) und stromlose (ELD) Abscheidung von Metallen, welche typischerweise als Alternativprozesse für CVD- und PVD-Prozesse in der Halbleitermetallisierung verwendet werden, haben zwar eine hohe Materialqualität, für die kostengünstige Herstellung großflächiger Beschichtungen sind diese jedoch nicht geeignet.
Thermische Sprühverfahren bieten ein großes Potenzial für effiziente großflächige Beschichtungen. Herausfordernd ist die wirtschaftliche Aufbringung dünner (max. 20 μm) Kupferschichten, ohne dabei durch den Temperaturschock oder die hohen kinetischen Energien der Partikel, das Festelektrolyt zu zerstören oder auf gesundheitsschädliche Nanopartikel wechseln zu müssen. Für die geringe Oxidation wäre Kaltgasspritzen gut geeignet, die Schichtbildung erfolgt durch die mechanische Verformung beim Aufprall der Partikel mit hoher Geschwindigkeit (500 – 1500 m/s). Durch die induzierten Spannungen besteht die Gefahr eines Keramikbruchs. Mit dem kaltatmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahren liegt die im AiF-Projekt Herkules gemessene Partikelgeschwindigkeit bei 0,2 m/s, weshalb auch dünne, empfindliche Substrate metallisierbar sind. Die Auftragsrate liegt aktuell bei 0,4 kg/h, beim Kaltgasspritzen ist diese um den Faktor 10 höher – was für die wirtschaftliche Umsetzung der Technologie als herausfordernd zu betrachten ist [4].
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse
Der Einsatz des kaltatmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahren adressiert die technischen, ökonomischen und ökologischen Engpässe zur Herstellung einer anodenfreien Feststoffbatterie. KMUs können mit der Investition in ein Plasmabeschichtungssystem einen Prozessschritt mit hoher Wertschöpfung durchführen, ohne in für sie unerschwingliche Batterieproduktionsstraßen, Kathodenmateriallabore oder komplette Zellfertigungen investieren zu müssen. Vielmehr konzentriert sich das Projekt auf einen definierten Prozessschritt, der klar wirtschaftlich und örtlich von der Herstellung einer Vollzelle abgegrenzt werden kann. Nach dem Beschichtungsvorgang ist noch kein metallisches Lithium oder Natrium im Halbzeug (Festelektrolytische Keramik plasmabeschichtet mit Kupferstromsammler) vorhanden. Dadurch ist das Halbzeug eingeschweißt in großer Menge lagerbar, und kann an einen Endnutzer oder Prozessierer weiterverkauft werden. Das Projekt behandelt die Anodenseite einer Batterie. Nach dem Prozessschritt ist das Verfahren kathoden-unabhängig und erlaubt einem Endnutzer eine beliebige Kathode auf die Rückseite des beschichteten Elektrolyten aufzubringen, wodurch sich der Abnehmermarkt vergrößert. Es besteht in der Literatur allgemein der Wunsch, dass auf der Anodenseite einer Feststoffbatterie metallisches Lithium oder Natrium abgeschieden werden kann [5]. Die Produktion einer Batteriekathode verfügt über eine wesentlich größere Anzahl von Variablen: Die Zellchemie und deren exakte Synthese und die Herstellung speziell geformter Kathodenpartikel, welche durch die Auswahl geeigneter Basispartikel beeinflusst werden. Deren Form, Größenverteilung, Sinterdauer und Temperaturschritte, sowie Beschichtung mit geeigneter Beschichtungspaste beeinflussen die Eigenschaften der Kathodenpartikel. Darauf folgt die Auswahl geeigneter Elektrolyte. Dies sind Prozesse, die nur von großen Industriekonzernen, wie in Europa etwa in naher Zukunft von der BASF in Schwarzheide für die Kathodenmaterialherstellung und der anschließenden Zellfertigung von Automobil-OEMs, beherrschbar sind. Das Projekt CoCoBatt bietet einem KMU die Möglichkeit, an einem Technologiesprung innerhalb der Batterieentwicklung und –produktion arbeiten zu können, ohne den Kapitaleinsatz stemmen zu müssen, wie er für gewöhnlich nur von international agierenden Aktiengesellschaften tragbar ist. Da der Stromsammler mit geringem anlagen- und prozesstechnischem Aufwand herstellbar ist, sofern die Parameter und Prozessfenster – welche in diesem Projekt ermittelt werden sollen – bekannt sind. Zudem muss die Plasmabeschichtungsanlage nicht auf ein bestimmtes Keramikmaterial oder eine Substratgeometrie ausgelegt werden, sondern ist bei entsprechender Konfiguration für groß- und kleinflächige Beschichtungen bzw. auch für die Groß- und Kleinserienfertigung durch die Adaption des Werkstückträgers einsetzbar.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. Siehe Kontaktdaten
- Fraunhofer IKTS
- Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Projekt-begleitende Unternehmen
Die Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. sucht weiterhin nach projekt-begleitenden Unternehmen. Bei Interesse, melden Sie sich gerne bei der Geschäftsstelle. Siehe Kontaktdaten
Quellen
