OptiKeraLyt

 

OptiKeraLyt

Material- und Produktionsprozessoptimierung für Lithium-Ionen-Batterien mit keramischen Festkörperelektrolyten

Motivation und Vorgehen

Die Batterie für automobile Anwendungen stellt das Schlüsselbauteil im elektrifizierten Antriebsstrang dar. Sie beeinflusst in direkter Weise die Akzeptanzhürden der Reichweite, Lebensdauer und Sicherheit und ist maßgeblich für die Kosten eines Elektrofahrzeugs verantwortlich. Trotz der immensen, wachsenden Bedeutung von Batteriezellen für den Standort Deutschland befinden sich industrielle Batteriezellfabriken bisher fast ausschließlich im asiatischen Raum. Aufgrund langjähriger Erfahrungen dieser Länder in der Massenfertigung von Batteriezellen empfiehlt die NPE keine Investitionen in eine Produktion der heutigen Batteriegenerationen. Der frühzeitige Aufbau von Know-how im Bereich nachfolgender Generationen, die der konventionellen Lithium-Ionen-Batterie technisch überlegen sind, ist für eine mögliche Batteriezellfertigung in Deutschland essentiell.

Ziele

Im Projekt werden industrielle Verfahren zur Produktion von Batteriezellen mit keramischen Festkörperelektrolyten erforscht. Ziel ist es, die gravimetrische Energiedichte sowie die Sicherheit im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu steigern. Solid-State-Batteriezellen sind jedoch von einer Kommerzialisierung noch deutlich entfernt, was vor allem an fehlenden Prozessen und darauf abgestimmten Materialien liegt.

Forschung und Entwicklung

  • Die Lithium-Ionenleitfähigkeit von oxidischen Festkörperelektrolyten ist geringer als die herkömmlicher Flüssigelektrolyte, was eine Ausführung als dünne Schicht erforderlich macht. Es werden daher geeignete keramische Festkörperelektrolyten entwickelt und hergestellt. Diese werden speziell auf die Prozessierung mittels Dünnschichttechnologien hin optimiert, um auch bei industriell hergestellten Zellen den Innenwiderstand der Batterie zu reduzieren.
  • Zur Überwindung von Material-Inkompatibilitäten während des unabdingbaren Hochtemperatur-Sinter-Schrittes werden neue Fertigungsverfahren entwickelt. Konkret stehen zwei laser-basierte und ein Handling-Verfahren im Fokus.
  • Zur mechanischen Stapelung, elektrischen Kontaktierung und anschließenden Verpackung der Batterie müssen mehrere Schichtverbünde bestehend aus Mischkathode/keramischem Elektrolyt/Anode in einer Inert-Atmosphäre geeignet gehandhabt werden. Im Gegensatz zu üblicherweise in Laboren vorzufindenden Knopfzellen entstehen erst hierdurch für industrielle Anwendungen relevante Batteriezellen.
  • Der Hauptfokus liegt neben der Entwicklung geeigneter Materialien besonders auf skalierbaren Fertigungsprozessen. Diese werden bezüglich ihrer Produktionsparameter optimiert, um die Festkörperbatterietechnologie auf ihre technische und wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit zur konventionellen Lithium-Ionen-Batterie hin zu untersuchen.

Forschungs- und Projektpartner

  • PEM der RWTH Aachen University
  • Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Helmholtz-Institut Ulm (HIU)
  • Universität Duisburg-Essen
  • H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH
  • LIMO GmbH
  • Aixtron SE
  • Jonas & Redmann Automationstechnik GmbH

Kontakt

Name

Christoph Schön

Gruppenleiter

E-Mail

E-Mail
 

Logo

Logo Optikeralyt Urheberrecht: PEM  

Gefördert durch:

Logo Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Urheberrecht: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Forschungsförderung im 7. Energieforschungsprogramm

Projektlaufzeit: 01.01.2019 – 31.12.2021