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FB2-Prod

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Querschnittsplattform Produktion

Festkörperbatterien stellen als Weiterentwicklung der konventionellen Lithium-Ionen-Batterie aufgrund ihrer erhöhten Energie- und Leistungsdichte sowie der gesteigerten Sicherheit eine besonders aussichtsreiche Technologie dar. Mithilfe der Substitution des brennbaren Flüssigelektrolyten durch einen festen Li-Ionenleiter ergeben sich neben den genannten Vorteilen Herausforderungen an die Zellassemblierung infolge neuartiger Materialeigenschaften. Da sich nach wie vor unter den verschiedenen Festelektrolytklassen kein Material herauskristallisiert hat, welches den übrigen in allen Eigenschaften und damit für alle Anwendungsfälle überlegen ist, müssen auf dem Weg zur Industrialisierung der Festkörperbatterie im Bereich der Produktionstechnik somit einige Hürden überwunden werden.

Projektinformationen

  • Förderung: 11/2021-10/2024, Bundesministerium für Bildung und Forschung

Partner

  • Forschungszentrum Jülich GmbH – Institut für Energie und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren
  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
  • Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
  • KIT – Institut für Produktionstechnik
  • TU München – Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
  • Institut für Partikeltechnik

Für die Zellfertigung bedeuten die mechanischen und chemischen Materialeigenschaften von metallischem Lithium auf der einen Seite und die der neuartigen Festelektrolyte auf der anderen Seite essentielle Herausforderungen sowohl für die produktseitige Integration der Materialien in die Batteriezelle (z. B. Verbindung von Festkörpern, Volumenausdehnung) als auch für geeignete Handhabungs- und Fertigungsprozesse. Die charakteristische Reaktivität dieser Materialien mit Wasser erfordert einen Aufbau der gesamten Prozesskette unter definiert getrockneter Atmosphäre (z. B. Trockenraum oder Inertgasatmosphäre). Aufgrund der initialen Ladung des Elektrodenstapels und der daraus resultierenden Gefahr von Kurzschlüssen, sind die Zellen nach der Stapelbildung und Kontaktierung unter zusätzlichen Sicherheitsmechanismen einzuhausen.

Projektziele und -inhalte

Zentrales Ziel der Querschnittsplattform Produktion innerhalb der zweiten Förderphase des Kompetenzclusters Festkörperbatterien ist die Entwicklung und Erforschung einer skalierbaren qualitätsgesicherten Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien (SSB) auf Basis der in den Zellplattformen untersuchten Festelektrolyte. Hierzu bildet das Konsortium die gesamte Produktionskette im kleinen Pilotmaßstab ab, ausgehend von der Prozessierung von Kompositkathoden und Separatoren der verschiedenen Materialklassen mittels verschiedener skalierbarer Ansätze, über Assemblierung, Zellbau und Konditionierung sowie elektrochemischer Charakterisierung hin zu einer sowohl ökonomischen als auch ökologischen Bewertung der vollständigen Prozesskette. Die einzelnen Prozessschritte werden anhand von Entwicklungszellen untersucht, die sowohl industrierelevante Systeme abbilden als auch die exemplarische Untersuchung der genannten Fragestellungen ermöglichen sollen. In Abgrenzung zu den Zellplattformen liegt der Fokus hierbei nicht auf der Realisierung von Zellen, die hinsichtlich Kapazität, C-Rate oder Zyklenstabilität weltweite Spitzenwerte erreichen sollen, sondern auf der industrienahen Untersuchung und Bewertung skalierbarer Produktionsprozesse mit Qualitätssicherung sowie der Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen zur großskaligen Produktion von SSB.

Um eine skalierbare und qualitätsgesicherte Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien zu entwickeln, erarbeitet das IWF auf Basis einer Charakterisierung der handhabungsrelevanten Materialeigenschaften (z. B. mechanische Steifigkeit, Abriebfestigkeit) geeignete Handhabungsprozesse und Qualitätskontrollen für die Zellassemblierung. Mithilfe der daraus resultierenden Produktion im Pilotmaßstab werden mehrlagige Zellen aufgebaut und der Einfluss prozessimmanenter Belastungen (z. B. mechanische Belastungen, Partikelkontamination) auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Zellen analysiert. Zusätzlich werden die Auswirkungen der Ablagegenauigkeit und die der Prozessatmosphäre in der Stapelbildung bezogen auf die Zellperformance untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf einer industrienahen Untersuchung und Bewertung skalierbarer Produktionsprozesse mit Qualisicherung sowie der Ableitung konkreter Handlungsempfehlungen zur großskaligen Produktion von SSB.

Do Minh Nguyen
+49 531 391 - 7672
do-minh.nguyen(at)tu-braunschweig.de
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