Mit dünnen Lithiumschichten zu hohen Energiedichten

Werkstoffe 09. 05. 2022
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Innerhalb des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Gemeinschaftsprojekts nextBatt – ressourceneffiziente Produktionsprozesse für Batterienanoden der nächsten Generation (Förderkennzeichen: L1FHG42421) sollten ressourceneffiziente Produktionsprozesse für Batterieanoden der nächsten Generation entwickelt werden. Am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP wurden dazu neue Materialkombinationen und eine effiziente Fertigungstechnologie erarbeitet.

Der Bedarf an Lithiumionenbatterien (LIB) steigt rasant. Wie Ralph Diermann 2020 in seinem auf Spiegel Online veröffentlichten Artikel Das Rennen um die Batterie der Zukunft ausführte, erwartet das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, dass die Nachfrage nach Lithiumionenzellen allein für die Elektromobilität bis 2030 um den Faktor 20 bis 40 steigen wird [1]. Damit nicht auch der Einsatz von Ressourcen mit dem erhöhten Bedarf an Batterien unermesslich steigt, arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit fieberhaft an Verbesserungen. Die Partner des 2021 durchgeführten Projekts nextBatt – neben dem Fraunhofer FEP die Fraunhofer-Institute für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, für Solare Energiesysteme ISE und für Schicht- und Oberflächentechnik IST – leisten dazu einen wesentlichen Beitrag.

Dr. Stefan Saager, Projektleiter am Fraunhofer FEP, hält für Lithiumionenbatterien Steigerungen der Energiedichte von bis zu 65 % für möglich. Dies könne durch den Ersatz herkömmlicher Graphitanoden durch Anoden auf Basis von Silizium und zukünftig auch metallischem Lithium erreicht werden. Mit den ressourceneffizienten Prozesstechnologien am Fraunhofer FEP gelang es uns bereits, reine metallische Lithiumschichten und auch Lithium-Silizium-Verbindungsschichten in produktionsrelevanten Maßstäben herzustellen, sagt Dr. Saager.

Üblicherweise werden Lithiumschichten in Form von dünnen Folien durch Walzprozesse gefertigt, die auch das Verwenden von Schmiermitteln nötig machen. Am Fraunho­fer FEP werden die Lithiumschichten jedoch durch thermisches Aufdampfen im Vakuum ohne verunreinigende Zusätze in einer Dicke von 1 bis 20 Mikrometer hergestellt. Dadurch können sehr reine und vor allem dünne metallische Lithiumschichten in reproduzierbarer Weise erzeugt werden. Bei diesem Prozess wird Lithiumgranulat ins Vakuum überführt, in einen Tiegel gefüllt und anschließend auf Temperaturen von 500 °C bis 700 °C erwärmt. Das Lithium wird aufgeschmolzen und schließlich verdampft. Ähnlich wie sich Wasser an Deckeln von Kochtöpfen sammelt, wird der sich ausbreitende Lithiumdampf auf einem Substrat abgeschieden. Dieses Substrat wird dazu in kontrollierter Weise über die Lithiumdampfquelle bewegt, sodass darauf eine Lithiumschicht mit vorgegebener Dicke kondensiert.

     

Lithium in Ausgangsform als Granulat und abgeschieden als dünne Schicht als Grundlage zur Fertigung von innovativen und effizienten Batterien der nächsten Generation (© Fraunhofer FEP)

 

Eine sehr große Herausforderung lag bei der Technologieentwicklung bereits im Einrichten der Prozesse, aber auch der Arbeits­umgebungen, da Lithium eine extrem hohe Reaktivität besitzt. Lithium reagiert nicht nur mit dem Sauerstoff in der Luft, sondern auch mit Stickstoff. Mit Wasser verbindet sich Li­thium außerdem zu stark basischem Lithiumhydroxid unter Freisetzung von Wasserstoff. Diese Reaktionen verlaufen bekanntlich stark exotherm, was den Umgang erschwert und erhöhte Ansprüche an die Arbeitssicherheit erfordert. Daher kann Lithium nur unter einer inerten Argonatmosphäre gehandhabt werden. Darüber hinaus sind hochreine Lithi­umschichten für das Erreichen einer guten Batterie-Performance essenziell. Die Anlagen des Fraunhofer FEP wurden für Experimente mit luftempfindlichen Materialien wie Lithium entsprechend vorbereitet.

Ein großer Vorteil der Technologie ist, dass mit dem Aufdampfverfahren auch Verbindungsschichten in Kombination mit anderen Materialien, wie Silizium, erzeugt werden können. Dazu wird einfach eine weitere Dampfquelle mit einem anderen Ausgangsstoff daneben installiert. Die verschiedenen Materialien vermischen sich in den beiden überlagerten Dampfströmen und erzeugen auf dem Substrat eine Verbindungsschicht mit der gewünschten Zusammensetzung. So sind sehr vielversprechende Materialkombinationen realisierbar, die auf andere Weise nicht zu erzeugen wären. Zudem kann man mit diesem Verfahren sehr hohe Beschichtungsraten erzielen – ein wichtiges Kriterium für die Überführung der Technologie in eine Massenproduktion.

Die bislang am Fraunhofer FEP hergestellten reinen Lithiumschichten wurden am Fraunhofer IWS hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Dabei zeigte sich, dass circa 80 % des abgeschiedenen Lithiums elektrochemisch aktiv war – also in einer Batterie für chemische Reaktionen zur Speicherung von Energie zur Verfügung stehen kann. Eine weitere Steigerung über 90 % ist durch die Optimierung von Prozessschritten in Aussicht. Diese Verbesserung umfasst verschiedene Verfahren zur Sub­stratreinigung und -vorbehandlung, die Beschichtungstechnologie selbst sowie Veredelungsverfahren durch Nachbehandlung. Die Reduktion von sogenanntem totem Lithium ist ein wesentlicher Schlüssel zur Effizienzsteigung in Batterien und Gegenstand ausgedehnter internationaler Forschung.

Am Fraunhofer FEP stehen hierfür Versuchs- und Pilotanlagen zur Verfügung, mit denen beispielsweise metallische Platten und Bänder oder Kunststofffolien im effizienten Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeitet werden können. Im Projektkonsortium werden weitere vielversprechende Technologien zur Steigerung der Batterieleistung entwickelt, wie zum Beispiel Verfahren zur Oberflächen­beschichtung und Verarbeitung von ­Pulvern, Metallisierung von Kunststofffolien für leichte Stromkollektoren oder ­Plasmaverfahren zur Herstellung von alternativen Elektrodenmaterialen. Durch die Nähe zu den Partnern sind unter anderem umfassende Charakterisierungsmöglichkeiten am Fraunhofer IWS anwendbar, ohne lange Lager- und Transportzeiten der sensiblen Materialien berücksichtigen zu müssen.

Die Fraunhofer-Institute stehen nach Angabe des Fraunhofer FEP bereits mit verschiedenen Partnern aus Forschung und Industrie in Kontakt. Die Wissenschaftler schätzen, dass bei einer Intensivierung der Forschungsaktivitäten die Beschichtungstechnologie innerhalb der nächsten fünf Jahre Einzug in die Produktion von Batterien der nächsten Generation halten könnte. Das Projekt nextBatt stellt dazu einen entscheidenden Schritt als Wegbereiter dar.

Literatur

[1] Ralph Diermann: Das Rennen um die Batterie der Zukunft; Der Spiegel (online), 09.02.2020, www.spiegel.de/wissenschaft/technik/lithium-akku-gibt-es-bessere-alternativen-a-474ebb56-66c3-4be9-891c-f62dcabb9e8c

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