Prozess- und Anlagenentwicklung zur prozessintegrierten Inline-Strukturierung von Lithium-Ionen-Elektroden (ProfiStruk)

Projektlaufzeit:
01.10.2019 – 30.09.2022

Institute:

  • TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
  • TU Braunschweig, Institut für Partikeltechnik (iPAT)
  • TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs)
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Partner:

TU München
TU Braunschweig

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) stellen die Schlüsselkomponente elektrischer Energiespeicher dar. Die Verbesserung ihrer Eigenschaften bietet enormes Potenzial für eine erhöhte Marktdurchdringung der Elektromobilität zu Lande, zur See und in der Luft. Aber auch stationäre Energiespeicher und elektronische Konsumprodukte würden von einer Weiterentwicklung der LIB stark profitieren. Die Beschaffenheit der Elektroden definiert zahlreiche Eigenschaften der LIB, wie beispielsweise die verfügbare Kapazität, Schnellladefähigkeit und Leistungsbereitstellung. Beim Laden und Entladen wird Lithium in die Aktivmaterialien ein- bzw. ausgelagert. Durch die poröse Struktur der Elektrode ergeben sich jedoch lange und komplexe Lithium-Ionen-Transportwege in der Elektrolytflüssigkeit. Diese haben teilweise starke Lithium-Konzentrationsgradienten in den Elektroden zur Folge, welche einen Abfall der verfügbaren Kapazität aufgrund von Lithiumverarmung an den Aktivmaterialoberflächen verursachen. Die Einbringung von Strukturen in die Elektroden stellt einen bewährten Ansatz zur Verringerung der erwähnten Lithium-Konzentrationsgradienten dar.
Das Vorhaben ProfiStruk adressiert den Einsatz von alternativen und prozesstechnisch überlegenenen Strukturierungsprozessen die eine Alternative zu laserbasierten Verfahren mit zu geringen Prozessgeschwindigkeiten für die Massenproduktion adressiert. Projektziel ist die Integration von Anlagentechnik zur Strukturierung in die bestehende Produktionslinie für Lithium-Ionen-Zellen. Gleichzeitig soll eine Anlage für die diskontinuierliche Injektion von Strukturbildnern ohne Aktivmaterialverlust etabliert werden und eine Validierung des Strukturierungsprozesses durch die Produktion großformatiger Lithium-Ionen-Zellen erfolgen. Die Herausforderung besteht in der Prozess- und Anlagenentwicklung zur Inline-Strukturierung, wobei sowohl mechanische als auch verfahrenstechnische Prozesse verwendet werden.
Die Prozessauslegung an der TU München und TU Braunschweig basiert auf bisherigen Untersuchungen zur Strukturdimensionierung und -verteilung. Diesbezüglich sollen laserstrukturierte Elektroden als Modellmethodik für die Validierung vorteilhafter Strukturen und die daraus folgende Werkzeug- und Prozessauslegung herangezogen werden. Bewertungskriterien sind elektrochemische Untersuchungen der erzeugten strukturierten Elektroden, die im Sinne einer systematischen Strukturentwicklung mit den strukturellen, mechanischen und elektrischen Elektrodeneigenschaften korreliert werden.