Verbundprojekt: "Entwicklung der Herstellungstechnologie einer gewebebasierten dreidimensionalen Silizium-Elektrode für Lithium-Ionen-Zellen und deren Charakterisierung"

Das Ziel von 3D-Si-Elektrode ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung mechanisch und strukturell stabiler gewebebasierter dreidimensionaler Siliziumanoden für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (LIB), die zu einer deutlichen, nachhaltig wirksamen Lebensdauerverlängerung und Zyklenstabilität solcher LIB führen. Die volumetrische bzw. gravimetrische Speicherkapazität der Zellen soll um den Faktor 2 bis 4 verbessert werden, bei gleichzeitiger Reduktion des Rohstoffs Kupfer um den Faktor 6 bis 10 und der Verwendung der heimischen Ressourcen/Rohstoffe Glas, Kohlenstoff und Silizium. Dies führt insgesamt zu einer effizienteren, ressourcenschonenden und nachhaltigen Batterietechnologie.

Grundlage ist eine vom Verbundkoordinator patentierte Technologie zur Herstellung von Stromkollektoren, die um die Siliziumbeschichtung mittels chemischer Gasphasenabscheidung und einer speziellen Methode der Kathodenzerstäubung erweitert werden soll. Das angestrebte Verfahren soll ferner unter Einbeziehung bereits existierender "Rolle-zu-Rolle"-(R2R)-Vakuum-Beschichtungsverfahren für Stromkollektoren eine Vorproduktionsreife erlangen.

Die elfolion bezieht maßgefertigte Gewebe von nationalen Lieferanten und fertigt daraus Stromkollektoren sowie Elektroden. Die Komponenten werden dann von der TUBAF individuell und als assemblierte Halb- und Vollzellen im Labor charakterisiert. Es werden die mechanischen, strukturphysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften auf Kollektor-, Elektroden- und Zell-Ebene charakterisiert und daraus Mikrostruktur-Eigenschaft-Korrelationen sowie Designvorschläge und Prozessierungsparameter für die Kooperationspartner abgeleitet. Die VARTA Microbattery integriert und testet die wissenschaftlichen Ergebnisse in industrienahen Benchmarksystemen. Damit wird eine Wertschöpfungskette in Deutschland etabliert.

Laufzeit: 06/2023 – 05/2026

Partner: elfolion GmbH, VARTA Microbattery GmbH

Finanzielle Unterstützung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK: 16BZF310B)

Verbundprojekt: "Hocheffiziente Elektroden mit ultraleichten Stromsammlern  auf Gewebebasis für Lithium-Ionen Batterien (revoLect)"

Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Schaffung neuartiger Elektroden mit leichten Stromkollektoren auf Gewebebasis für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und einer signifikanten Erhöhung der spezifischen Energiedichte bei gleichzeitig signifikanter Verringerung des Metallanteils. Das Teilprojekt „Mechanische, strukturphysikalische und elektrochemische Charakterisierung von Komponenten, Halb- und Vollzellen auf Basis gewebebasierter Stromkollektoren“ (TU Bergakademie Freiberg, Institut für Experimentelle Physik, Arbeitsgruppe Energiematerialien) zielt auf die Verarbeitung der neuartigen Elektroden und deren Tests in Form von Halb- und Vollzellen. Dementsprechend werden die mechanischen, strukturphysikalischen und insbesondere elektrochemischen Eigenschaften auf Kollektor-, Elektroden- und Zell-Ebene charakterisiert und daraus Mikrostruktur-Eigenschaft-Korrelationen sowie Designvorschläge und Prozessierungsparameter für die Kooperationspartner abgeleitet. Dazu werden die geometrischen, mikrostrukturellen, mechanischen, elektrischen und elektrochemischen Gewebeeigenschaften, wie Maschenweite und Aspektverhältnis, Oberflächenbeschaffenheit und Beschichtung sowie Haftung und elektrochemische Performance, charakterisiert. Gegenstand der Arbeiten werden neben den prozessierten Einzelkomponenten (positive und negative Elektrode) Knopfzellen und Pouch-Zellen sein, wobei neben der elektrochemischen Performance Degradationsprozesse im Fokus stehen.

Laufzeit: 09/2022 – 08/2025

Partner: elfolion GmbH, Fraunhofer FEP, TU Dresden (ITM), RWTH Aachen (PEM), PORCHER INDUSTRIES GERMANY GMBH, Customcells Holding GmbH, ROMONTA GmbH

Finanzielle Unterstützung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK: 03ETE041H)
 

Das Battery Materials Project bietet einen offenen Zugang zu Datenbanken mit bekannten und neu vorhergesagten ionenleitenden Kristallen und ihren Eigenschaften. Die Vorhersage basiert auf der Kombination von topologischen Methoden, Hochleistungs-Supercomputing und Berechnungen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie. Das Battery Materials Project ist ein Projekt des Samara Center for Theoretical Materials Science, welches seinen Ursprung in der Zusammenarbeit zwischen dem SCTMS und dem IEP hinsichtlich der Identifizierung neuer Ionenleiter hat. Projekt Manager ist Artem Kabanov.

Kooperationsprojekt: "Entwicklung folienartiger, ressourceneffizienter gewebebasierter Stromkollektoren für Elektroden für hochenergie- und -leistungsdichte Lithium-Ionen-Zellen aus feinsten Glas-Multifilamentgarnen und Metalldrähten"

Ziel war die Entwicklung, Herstellung, Hochskalierung und Verifizierung neuartiger ressourceneffizienter Stromsammler für Lithium-Ionen-Zellen, die bei um 85 % verringertem Metalleinsatz eine um 15 % höhere Energie- und Leistungsdichte im Vergleich zu konventionellen Zellen ermöglichen. Hierfür wurden Drehergewebe auf Basis feinster Multi- und Monofilament-Garne aus Glas, Carbon, Polymer und Metall entwickelt und deren Herstellbarkeit auf dafür zu modifizierenden Webanlagen nachgewiesen. In einer R2R-Prozessierung wurden Stromsammlerbänder mit einer Mindestlänge/-breite von 30 m/0,12 m hergestellt und in einem zweiten Schritt mit einem neuartigen Vakuumbeschichtungsverfahren mit Cu und Al zu Ausgangskomponenten für Zellelektroden beschichtet. Diese Stromsammler ermöglichen eine dreidimensionale Verknüpfung der elektrisch leitfähigen mit der ionisch leitfähigen Materialkomponente, was zu einer Metalleinsparung und verbesserter Anbindung des Elektrodenmaterials führt. Weiterhin wurden komplette Li-Pouch-Zellen gefertigt und die elektrochemische Performance charakterisiert.

Laufzeit: 04/2020 – 02/2023

Partner: elfolion GmbH, TU Dresden (Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik)

Finanzielle Unterstützung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE: ZF4751502JO9)