Gemeinsam mit dem fem aus Schwäbisch-Gmünd haben wir das Projekt "Flexible Lithium-Ionen-Zellen mit mikrostrukturierten Stromsammlern zur Steigerung der Flexibilität, Haftfestigkeit und volumetrischen Energiedichte" abgeschlossen. Untersucht wurden verschiedene Verfahren zur Strukturierung von Stromsammlern auf Basis etablierter Verfahren im Bereich der Metallverarbeitung bzw. Metallabscheidung. Batterieseitig wurden außerdem Einflüsse des Prozesses beim Auftragen des Aktivmaterials, aber auch Einflüsse des verwendeten Binders im Hinblick auf die o.g. Zielstellung in die Untersuchungen mit einbezogen.
An dem Projekt waren zwei Forschungsstellen beteiligt: das fem (Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie) und das ZBT (Zentrum für Brennstoffzellen-Technik) aus Duisburg. Das fem untersuchte verschiedene Strukturierungsmöglichkeiten und war für die Strukturaufklärung der modifizierten Stromabnehmer sowie der Elektroden zuständig. Das ZBT übernahm die Elektroden- und Zellfertigung, die elektrochemische Charakterisierung der hergestellten Zellen sowie die mechanische Beanspruchung von Pouch-Zellen. Die Ergebnisse sind in einem umfangreichen Abschlussbericht zusammengefasst, der über die TIB Hannover und die Mitgliedsvereinigung veröffentlicht wird. Eine Kurzzusammenfassung der Ergebnisse bieten wir Ihnen hier gerne zum Download an.
Projekt: Flexible Lithium-Ionen-Zellen mit mikrostrukturierten Stromsammlern zur Steigerung der Flexibilität, Haftfestigkeit und volumetrischen Energiedichte, Laufzeit: 01.03.2017 - 29.02.2020, Vorhaben-Nr. 19492 N (Kurzzusammenfassung)
Forschungsvereinigung: Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie e.V. - FEM www.fem-online.de
Forschungseinrichtungen
- fem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie www.fem-online.de
- Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH, Abteilung Elektrolyse und Batterien
Die Erkenntnisse und Charakterisierungsmethoden fließen nun in ein frisch gestartetes Projekt ein, in dem der Fokus auf dreidimensional strukturierte Stromabnehmer gelegt wird:
Um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zu steigern, muss die Masse der elektrochemisch inaktiven Komponenten der Elektrode reduziert werden. Dies kann durch Erhöhung der Flächenbeladung der elektrochemisch aktiven Materialien erfolgen. Die traditionelle Elektrodenarchitektur basiert jedoch auf dünnen Schichten, die auf Metallfolien aufgetragen werden und erlaubt keine weitere Steigerung der Beladung. Ziel des Projekts LiBaStrom ist die Realisierung von innovativen Elektrodenarchitekturen auf der Basis von dreidimensionalen (3D) Stromabnehmern, z. B. Metall- und Graphitschäumen, Kohlenstoffpapieren oder Streckmetallen. 3D-Stromabnehmer zeichnen sich durch ein Leitfähigkeitsnetzwerk aus, das auch bei hohen Flächenbeladungen einen schnellen Elektronentransport durch die gesamte Elektrodenstruktur ermöglicht. Auf der Anode soll ein siliciumbasiertes Kompositmaterial zum Einsatz kommen. Mit seiner enormen Speicherkapazität hat Silicium entscheidende Vorteile gegenüber dem Standard-Anodenmaterial Graphit. Auf der Kathode soll Lithiumnickelcobaltmanganoxid (NCM) eingesetzt werden. NCM ist für Applikationen geeignet, die einen hohen Energieinhalt erfordern, z. B. Elektrofahrzeuge oder portable elektronische Geräte. Auf Zellebene lässt sich mit 3D-strukturierten Stromabnehmern eine deutliche Steigerung der gravimetrischen Energiedichte von 25-35% gegenüber folienbasierten Elektroden abschätzen. Beide beschriebenen Materialrouten für die Anoden- sowie die Kathodenherstellung werden im Technikumsmaßstab demonstriert.
Von den Ergebnissen profitieren KMU als Hersteller von 3D-Stromabnehmermaterialien sowie von Elektroden für LIB und Unternehmen des Anlagenbaus, die wesentliche Informationen für die Anpassung der Beschichtungstechnologie für die Herstellung von 3D-strukturierten Elektroden erhalten. Der projektbegleitende Ausschuss ist gerne offen für interessierte weitere Unternehmen.
Projekt:
Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien hoher Energiedichte mit Elektroden auf Basis dreidimensionaler Stromabnehmer (LiBaStrom), 58 EWBG, 01.06.2020 - 30.11.2022
Forschungsvereinigung: Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. - IUTA www.iuta.de
Forschungseinrichtungen:
- Universität Duisburg-Essen, Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik Fachgebiet Energietechnik
- Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH, Abteilung Elektrolyse und Batterien
- Fraunhofer-Gesellschaft e.V., Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS Standort Hermsdorf
