Schlüsselkomponente für Batterien der Zukunft

Wissenschaftler des Fraunhofer IWS haben ein Verfahren zur kosteneffizienten Herstellung dünner Lithiumanoden aus geschmolzenem Lithium entwickelt. Die wichtigste Innovation besteht in der Realisierung eines Anodenverbundes. Dieser besteht aus einer mittels Schutzschichten stabilisierten Lithiumschicht auf einer wenigen Mikrometer dicken Nickelfolie.

19. April 2019
Schlüsselkomponente für Batterien der Zukunft
Mittels IWS-Schmelzabscheidung hergestellte Lithiumschicht auf Kupferfolie: Das Verfahren erlaubt die Herstellung von Prototypzellen mit fünf bis 30 Mikrometer dünnen Lithiumanodenschichten. (Bild: Fraunhofer IWS Dresden)

Lithium-Metall-Anoden gelten als Schlüsselelement für die Batterien der Zukunft. Sie ermöglichen die Maximierung der Energiedichte sowohl in Bezug auf das Zellvolumen als auch auf die Masse. Die Lithium-Metall-Anode wird bereits in Lithium-Schwefel-Zellen eingesetzt, um Rekordwerte in der spezifischen Energie von mehr als 400 Wattstunden pro Kilogramm zu erreichen. Die besten Lithium-Ionen-Batterie-Zellen erreichen im Vergleich dazu derzeit lediglich 250 Wattstunden pro Kilogramm.

Darüber hinaus könnten Festkörperbatterien die volumetrische Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Batterien bei Verwendung der Lithium-Metall-Anode um mehr als 70 Prozent überschreiten.

Zu den herkömmlichen Produktionslösungen für Lithiumfolien gehören Walzverfahren. Deren Schwierigkeit besteht darin, dass sich damit großflächig Schichten unter 50 Mikrometern Dicke nur sehr aufwendig herstellen lassen. Die Qualität ist zudem begrenzt, da Hilfsstoffe die Oberfläche chemisch verunreinigen. Somit lassen sich Lithiumfolien nicht mit den für Batterieanwendungen notwendigen Qualitätsanforderungen im industriellen Maßstab produzieren. Hinzu kommt, dass Produktionsverfahren für hochwertige, dünne Lithiumschichten noch nicht kommerziell verfügbar sind und die Grenzfläche von Lithium zu anderen Zellkomponenten hochreaktiv ist.

Lithiumschmelze benetzen

Das Fraunhofer IWS arbeitet seit einigen Jahren an einem Beschichtungsprozess, der es erlaubt, Lithiumschichten weniger Mikrometer Dicke zu erzeugen. Die wichtigste Innovation liegt in einer lithiophilen Oberfläche, die eine kostengünstige und homogene Abscheidung dünner Schichten aus geschmolzenem Lithium auf metallischen Substraten ermöglicht. »Wir sind in der Lage, dünne Nickel- und Kupferfolien so zu behandeln, dass eine Beschichtung aus der flüssigen Phase und aus der Schmelze des Lithiums möglich wird«, erläutert Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS.

Da sich Kugeln ausbildeten, wenn flüssiges Lithium auf eine unbehandelte Kupfer- oder Nickelfolie aufgebracht würde, sei das Benetzen der Folienoberfläche mit Lithium nicht möglich. »Das ist jedoch unbedingt notwendig, um eine Beschichtung zu erzeugen und das schaffen wir mit einer lithiophilen Substratoberfläche«, konkretisiert Dr. Althues. Weitere Vorteile lägen darin, dass sich die entwickelte IWS-Technik besonders günstig realisieren und bereits im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf industrielle Maßstäbe hochskalieren lasse. Modifizierungen der Lithium-Oberfläche sollen diesen Beschichtungsprozess erweitern.

Das Projektteam unter Koordination des IWS will so das Handling und die Stabilität sowie die Sicherheit der Lithium-Anoden für den Einsatz in Batteriezellen verbessern. Ergänzt werden diese Arbeiten durch die Entwicklung eines Laserschneidprozesses innerhalb des Projekts ›Limecut‹, der eine flexible Konfektionierung von Lithium-Anoden ermöglichen wird. So ergibt sich ein Werkzeugkasten für die Anpassung von Anoden an kundenspezifische Zellsysteme und -formate. »Wir sehen einen wachsenden Bedarf in der Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien«, erklärt der Batterieforscher Dr. Althues.

Über ›Maliba‹ und ›Limecut‹

In dem Verbundprojekt ›Maßgeschneiderte Metall-Anoden für zukünftige Batteriesysteme‹ (Maliba) entwickelt das Fraunhofer IWS in Zusammenarbeit mit der Justus-Liebig-Universität Gießen, der hpulcas und der Prüfgesellschaft SGS maßgeschneiderte und oberflächenmodifizierte Lithium-Anoden für Batterien der Zukunft, während das Projekt Limecut in Zusammenarbeit mit Oxis Energy und ULT auf die Entwicklung einer flexiblen Laserprozesstechnik zum Schneiden von Lithiumanoden abzielt.

Mehr über die Batterie der Zukunft erfahren können Sie in zwei Workshops: Das Fraunhofer IWS veranstaltet am 18. und 19. November die ›Carbon Electrode Materials‹ und die ›Lithium-Metal-Anodes: Processing and Integration in Next-Generation Batteries‹ in Dresden.