AiF-FV-Nummer 58

Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien hoher Energiedichte mit Elektroden auf Basis dreidimensionaler Stromabnehmer


Status & Laufzeit

Laufend: 01.06.2020 bis 30.11.2022

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Eine der größten Herausforderungen im Mobilitätssektor liegt in der Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien (LIB), um die Batteriekosten zu senken und die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Hierfür muss die Masse der inaktiven Elektrodenkomponenten reduziert werden. Dies kann durch Erhöhung der Massenbeladung der Elektroden-Aktivmaterialien erfolgen. Die traditionelle Elektrodenarchitektur basiert jedoch auf dünnen Elektrodenschichten, die auf Metallfolien aufgetragen werden und erlaubt keine weitere Steigerung der Beladung. Ziel des Projekts 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 3D-Leitfähigkeitsnetzwerk aus, das auch bei hohen Aktivmassebeladungen einen schnellen Elektronentransport durch die gesamte Elektrodenstruktur ermöglicht. Auf der Anode soll ein siliziumbasiertes Kompositmaterial zum Einsatz kommen. Mit seiner enormen Speicherkapazität hat Silizium 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 KMUs als Hersteller von 3D-Stromabnehmermaterialien sowie von Elektroden für LIB sowie Unternehmen des Anlagenbaus, die wesentliche Informationen für die Anpassung der Beschichtungstechnologie für die Herstellung von 3D-strukturierten Elektroden erhalten.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.