Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
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KaSiLi

Strukturmechanische Kathodenadaption an Silizium- und Lithium-basierte Anodenwerkstoffe (KaSiLi)

Neue Dünnschicht-Elektroden aus Silizium und Lithium für die »Forschungsfabrik Batterie«

REM-Querschnittsaufnahme einer im IWS-Trockenfilmverfahren hergestellten NMC-Kathode (Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid).
© Fraunhofer IWS
REM-Querschnittsaufnahme einer im IWS-Trockenfilmverfahren hergestellten NMC-Kathode (Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid).

Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Hochenergie-Zellen (Li-S und LIB) auf Basis von Lithium- und Silizium-Anoden mit einer Steigerung der Energiedichte gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen und mit einer Minimierung der Volumenänderung während des Zyklierens.

Im Fokus der Entwicklungen stehen Hochenergiezellen auf Basis von Silizium- und Lithium-Anoden, die eine Steigerung der volumetrischen Energiedichte um bis zu 65 % gegenüber herkömmlichen Lithiumionenzellen erlauben. Die deutlichen ladungszustandsabhängigen Volumenänderungen dieser Materialien auf der Mikroskala übertragen sich jedoch auf eine (makroskopische) Dickenänderung der Zellen und führen damit zu großen Herausforderungen bei der Integration der Zellen in Batteriesysteme. Hier setzt das vorliegende Vorhaben mit innovativen Ansätzen zur Reduzierung der Volumenänderungen an.

Wichtige Teilschritte sind dabei:

REM-Aufnahme einer Siliziumschicht mit definierter Struktur. Über die gezielte Einstellung von Struktur und Dicke der Schichten lassen sich die Eigenschaften der Anoden in der Batterieanwendung steuern.
© Fraunhofer IWS Dresden
REM-Aufnahme einer Siliziumschicht mit definierter Struktur. Über die gezielte Einstellung von Struktur und Dicke der Schichten lassen sich die Eigenschaften der Anoden in der Batterieanwendung steuern.
Durch die Minimierung von Volumenänderungen auf Elektrodenebene in Li-S- und LIB-Prototypzellen sollen auf Zellebene hohe Energiedichten bei gleichzeitig minimaler Dickenänderung über den Ladezustand nachgewiesen werden.
© Fraunhofer IWS Dresden
Durch die Minimierung von Volumenänderungen auf Elektrodenebene in Li-S- und LIB-Prototypzellen sollen auf Zellebene hohe Energiedichten bei gleichzeitig minimaler Dickenänderung über den Ladezustand nachgewiesen werden.
Aufbau von Pouchzellen in drei Stufen: Die Zellen werden durch Stapeln von Einzellagen aus Elektroden und Separatoren assembliert. Das ermöglicht industrienahe Materialtests für verschiedenste Zellsysteme.
© Fraunhofer IWS Dresden
Aufbau von Pouchzellen in drei Stufen: Die Zellen werden durch Stapeln von Einzellagen aus Elektroden und Separatoren assembliert. Das ermöglicht industrienahe Materialtests für verschiedenste Zellsysteme.

Entwicklung hochkapazitiver Si- und Li-basierte Anoden

  • mit erhöhter Zyklenstabilität, minimiertem Volumenhub und höherer volumetrischer Kapazität für Hochenergie-Zellen durch Beeinflussung der Mikrostruktur, der Grenzfläche zum Stromkollektor, galvanische Bekeimungsansätze sowie durch die Anpassung der Grenzfläche zum Elektrolytsystem bzw. zum Stromkollektor


Entwicklung hochkapazitiver Oxid- und Schwefel-basierte Kathoden

  • Entwicklung von Ni-reichen NCM-Werkstoffen als Kathodensystem für den Aufbau von Hochenergie-Lithium-Ionen-Zellen auf Basis der Si- und Li-Anoden
  • Entwicklung von Schwefel/Kohlenstoffkompositen als Kathodensystem für den Aufbau von Hochenergie-Lithium-Schwefel-Zellen auf Basis von Dünnschicht-Lithium-Anoden


Strukturmechanische und elektrochemische Anpassung für Hochenergiezellen

  • Anpassung aller Zellkomponenten und Balancierung der Vollzellen unter Minimierung strukturmechanischer Veränderung und Maximierung von Energiedichte für die Zellsysteme Li/S8 und NMC/Si, sowie NMC/Li.


Prototypzell-Entwicklung auf Basis von Lithium- und Silizium-Anoden

  • Modell-gestütztes Zelldesign für und Aufbau von Multilagen-Pouchzellen. Durch die Integration innovativer Ansätze zur Minimierung von Volumenänderungen auf Elektrodenebene in Li-S und LIB-Prototypzellen sollen auf Zellebene hohe Energiedichten bei gleichzeitig minimaler Dickenänderung über den Ladezustand nachgewiesen werden.


Das Vorhaben KaSiLi wird zudem zentrenübergreifend das erarbeitete Know-How zur Korrelation von strukturmechanischen und elektrochemischen Veränderungen auf Material-, Komponenten- und Zellebene, zur Herstellung der Hochenergie-Komponenten sowie der Entwicklung von Prototypzellen aktiv in die ExcellBattMat Plattformen einbringen.

Forschungsförderung

Das Projekt KaSiLi wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03XP0254 A-D gefördert.

Projektdauer:

01.11.2019 - 31.10.2022

Projektträger

Projektpartner

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