Durchbruch bei der Herstellung von Li-Ionen-Batterien

Schlüssel zur kostengünstigen und schnellen Produktion von leichteren, sichereren und energiedichteren Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge gefunden

10.03.2021 - USA

Eine neue Fertigungstechnik könnte es ermöglichen, dass in Lithium-Ionen-Batterien für Kraftfahrzeuge nicht brennbare keramische Elektrolyte eingesetzt werden können, und zwar in denselben Produktionsprozessen wie bei Batterien, die mit herkömmlichen flüssigen Elektrolyten hergestellt werden.

Die von Materialwissenschaftlern am Georgia Institute of Technology entwickelte Schmelz-Infiltrations-Technologie verwendet Elektrolytmaterialien, die in poröse, aber dicht gepackte, thermisch stabile Elektroden infiltriert werden können.

Der einstufige Prozess erzeugt hochdichte Verbundwerkstoffe, die auf der drucklosen, kapillargesteuerten Infiltration eines geschmolzenen Festelektrolyten in poröse Körper, einschließlich mehrschichtiger Elektroden-Separator-Stapel, basieren.

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"Während der Schmelzpunkt traditioneller Festkörperelektrolyte von 700 Grad Celsius bis über 1.000 Grad Celsius reichen kann, arbeiten wir in einem viel niedrigeren Temperaturbereich, je nach Elektrolytzusammensetzung etwa zwischen 200 und 300 Grad Celsius", erklärt Gleb Yushin, Professor an der School of Materials Science and Engineering an der Georgia Tech. "Bei diesen niedrigeren Temperaturen ist die Herstellung viel schneller und einfacher. Die Materialien reagieren bei niedrigen Temperaturen nicht. Die Standardelektrodenbaugruppen, einschließlich des Polymerbinders oder -klebers, können unter diesen Bedingungen stabil sein."

Die neue Technik könnte es ermöglichen, große Li-Ionen-Batterien für Kraftfahrzeuge mit 100 % fester, nicht entflammbarer Keramik anstelle von flüssigen Elektrolyten sicherer zu machen, indem dieselben Herstellungsprozesse wie bei der herkömmlichen Herstellung von Batterien mit flüssigen Elektrolyten verwendet werden. Die zum Patent angemeldete Fertigungstechnologie ahmt die kostengünstige Herstellung kommerzieller Li-Ionen-Zellen mit flüssigen Elektrolyten nach, verwendet aber stattdessen Festkörperelektrolyte mit niedrigem Schmelzpunkt, die geschmolzen und in dichte Elektroden infiltriert werden. Dadurch könnten qualitativ hochwertige, mehrschichtige Zellen beliebiger Größe und Form schnell und in großem Maßstab hergestellt werden, wobei bewährte Werkzeuge und Prozesse verwendet werden, die in den letzten 30 Jahren für Li-Ionen entwickelt und optimiert wurden.

"Die Schmelzfiltrationstechnologie ist der entscheidende Fortschritt. Die Lebensdauer und Stabilität von Li-Ionen-Batterien hängt stark von den Betriebsbedingungen ab, insbesondere von der Temperatur", erklärt Georgia Tech-Diplomstudent Yiran Xiao. "Wenn Batterien über einen längeren Zeitraum überhitzt werden, beginnen sie in der Regel vorzeitig zu degradieren, und überhitzte Batterien können in Brand geraten. Das hat dazu geführt, dass fast alle Elektrofahrzeuge (EV) ausgeklügelte und ziemlich teure Kühlsysteme enthalten." Im Gegensatz dazu benötigen Solid-State-Batterien möglicherweise nur Heizungen, die deutlich günstiger sind als Kühlsysteme.

Yushin und Xiao sind ermutigt durch das Potenzial dieses Herstellungsverfahrens, das es Batterieherstellern ermöglicht, leichtere, sicherere und energiedichtere Batterien zu produzieren.

"Die entwickelte Schmelzfiltrations-Technologie ist mit einer breiten Palette von Materialchemien kompatibel, einschließlich sogenannter Konversionstyp-Elektroden. Solche Materialien erhöhen die Energiedichte von Automobilzellen nachweislich um mehr als 20 % jetzt und um mehr als 100 % in der Zukunft", sagte Co-Autor und Georgia Tech-Forscher Kostiantyn Turcheniuk und merkte an, dass Zellen mit höherer Dichte längere Reichweiten unterstützen. Für diesen Leistungssprung benötigen die Zellen Elektroden mit hoher Kapazität.

Die Technik des Georgia Tech ist noch nicht marktreif, aber Yushin prognostiziert, dass, wenn ein signifikanter Teil des zukünftigen EV-Marktes Festkörperbatterien annimmt, "dies wahrscheinlich der einzige Weg wäre", da es den Herstellern erlaubt, ihre bestehenden Produktionsanlagen und Infrastrukturen zu nutzen.

"Das ist der Grund, warum wir uns auf dieses Projekt konzentriert haben - es war einer der kommerziell sinnvollsten Innovationsbereiche für unser Labor, den wir verfolgen konnten", sagte er.

Die Preise für Batteriezellen werden 2020 zum ersten Mal 100 Dollar pro Kilowattstunde erreichen. Laut Yushin müssen sie auf unter 70 Dollar pro Kilowattstunde fallen, bevor sich der Markt für Elektroautos für Verbraucher vollständig öffnen kann. Die Batterieinnovation ist entscheidend für diese Entwicklung.

Das Team des Materials Science Labors konzentriert sich derzeit auf die Entwicklung anderer Elektrolyte, die einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine höhere Leitfähigkeit haben, indem es die gleiche Technik verwendet, die sich im Labor bewährt hat.

Yushin stellt sich vor, dass der Produktionsfortschritt dieses Forschungsteams die Schleusen für weitere Innovationen in diesem Bereich öffnet.

"So viele unglaublich kluge Wissenschaftler konzentrieren sich auf die Lösung sehr anspruchsvoller wissenschaftlicher Probleme, während sie die wirtschaftliche und technische Praktikabilität völlig außer Acht lassen. Sie untersuchen und optimieren Hochtemperatur-Elektrolyte, die nicht nur dramatisch teurer für den Einsatz in Zellen sind, sondern auch bis zu fünfmal schwerer als flüssige Elektrolyte", erklärt er. "Mein Ziel ist es, die Forschungsgemeinschaft dazu zu bringen, über den chemischen Tellerrand hinauszuschauen."

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Originalveröffentlichung

Xiao, Y., Turcheniuk, K., Narla, A. et al.; "Electrolyte melt infiltration for scalable manufacturing of inorganic all-solid-state lithium-ion batteries"; Nat. Mater.; 2021

https://www.chemie.de/news/1170197/durchbruch-bei-der-herstellung-von-li-ionen-batterien.html

Originalveröffentlichung

Xiao, Y., Turcheniuk, K., Narla, A. et al.; "Electrolyte melt infiltration for scalable manufacturing of inorganic all-solid-state lithium-ion batteries"; Nat. Mater.; 2021

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