Technologie

Schlüsselkomponente für Batterien der Zukunft

08.04.2019 - Lithiophile Oberfläche ermöglicht kosteneffiziente Herstellung dünner Anoden aus geschmolzenem Lithium.

Lithium-Metall-Anoden gelten als Schlüss­elelement für die Batterie­systeme der Zukunft. Sie ermöglichen die Maxi­mierung der Energie­dichte sowohl in Bezug auf das Zell­volumen als auch auf die Masse. Die Lithium-Metall-Anode wird bereits in Lithium-Schwefel-Zellen eingesetzt, um Rekord­werte in der spezifischen Energie von mehr als 400 Watt­stunden pro Kilogramm zu erreichen. Die besten Lithium-Ionen-Batterie-Zellen erreichen im Vergleich dazu derzeit lediglich 250 Watt­stunden pro Kilogramm. Darüber hinaus könnten Fest­körper­batterien die volumetrische Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Batterien bei Verwendung der Lithium-Metall-Anode um mehr als 70 Prozent über­schreiten. Zu den herkömmlichen Produktions­lösungen für Lithium­folien gehören Walzverfahren. Deren Schwierig­keit besteht darin, dass sich damit groß­flächig Schichten unter 50 Mikro­metern Dicke nur sehr aufwendig her­stellen lassen. Die Qualität ist zudem begrenzt, da Hilfs­stoffe die Ober­fläche chemisch verun­reinigen. Somit lassen sich Lithium­folien nicht mit den für Batterie­anwendungen not­wendigen Qualitäts­anforderungen im industri­ellen Maßstab produ­zieren. Hinzu kommt, dass Produktions­technologien für hoch­wertige und dünne Lithium­schichten noch nicht kommer­ziell verfügbar sind und die Grenz­fläche von Lithium zu anderen Zell­kom­po­nenten hochreaktiv ist. Das wiederum erfordert ein Interface-Engineering, um einen stabilen und sicheren Einsatz der Lithium-Anoden zu ermöglichen.

Das Fraunhofer IWS arbeitet bereits seit einigen Jahren an einem Beschichtungs­prozess, der es erlaubt, Lithium­schichten weniger Mikro­meter Dicke zu erzeugen. Die wichtigste Innovation liegt in einer lithiophilen Ober­fläche, die eine kosten­günstige und homo­gene Abschei­dung dünner Schichten aus geschmol­zenem Lithium auf metal­lischen Substraten ermöglicht. „Wir sind in der Lage, dünne Nickel- und Kupfer­folien so zu behandeln, dass eine Beschich­tung aus der flüssigen Phase bzw. aus der Schmelze des Lithiums möglich wird“, erläutert Dr. Holger Althues, Abteilungs­leiter Chemische Oberflächen- und Batterie­technik am Fraunhofer IWS. Da sich Kugeln ausbildeten, wenn flüssiges Lithium auf eine unbe­han­delte Kupfer- oder Nickel­folie aufgebracht würde, sei das Benetzen der Folien­ober­fläche mit Lithium nicht möglich. „Dies ist jedoch unbedingt notwendig, um eine Beschichtung zu erzeugen und das schaffen wir mit einer lithiophilen Substratoberfläche“, konkretisiert Dr. Althues. Weitere Vorteile lägen darin, dass sich die entwickelte IWS-Techno­logie besonders günstig realisieren und bereits im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf indus­trielle Maßstäbe hoch­skalieren lasse. Modifizierungen der Lithium-Ober­fläche sollen diesen Beschichtungs­prozess in dem Vorhaben „MaLiBa“ erweitern. Das Projekt-Team unter Ko­or­din­ation des IWS will so das Handling und die Stabilität sowie die Sicherheit der Lithium-Anoden für den Einsatz in Batteriezellen entscheidend verbessern. Ergänzt werden diese Arbeiten durch die Entwicklung eines Laser­schneid­prozesses innerhalb des Projekts „LiMeCut“, der eine flexible Konfek­tionierung von Lithium-Anoden ermöglichen wird. So ergibt sich ein Werkzeugkasten für die Anpassung von Anoden an kunden­spezifische Zell­systeme und -formate. „Wir sehen einen wachsenden Bedarf in der Entwick­lung von Lithium-Metall-Batterien“, erklärt der Batterie­forscher Dr. Althues. „Bereits heute können wir viele Anfor­derungen bedienen, indem wir maß­geschnei­derte Anoden herstellen“.

In dem Verbund­projekt Maß­ge­schnei­derte Metall-Anoden für zukünftige Batterie­systeme („MaLiBa“) entwickelt das Fraunhofer IWS in Zusammen­arbeit mit der Justus-Liebig-Universität Gießen, der hpulcas und der Prüf­gesell­schaft SGS maß­geschneiderte und ober­flächen­modi­fizierte Lithium-Anoden für Batterien der Zukunft. Erste Projekt­ergeb­nisse werden im Rahmen der Konferenz „Lithium-Metal-Anodes“ im November in Dresden zusammen mit Beiträgen inter­natio­naler Experten aus Wissen­schaft und Industrie vorgestellt.

IWS / LK

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