Neues Herstellungsverfahren für Hochleistungs-Lithium-Metall-Batterien
Für eine nachhaltige und wettbewerbsfähige Batterie-Wertschöpfungskette in Europa
Das «Horizon 2020»-Konsortium «SOLiDIFY» aus 14 europäischen Partnern hat eine leistungsstarke Feststoff-Lithium-Metall-Batterie entwickelt. Der Prototyp der Batterie wurde im hochmodernen Batterielabor von «EnergyVille» in Belgien hergestellt und verfügt über einen einzigartigen «Flüssig-Fest»-Elektrolyten, der gemeinsam von imec, der Empa und der französischen Firma Solvionic entwickelt wurde. Die Batterie weist eine Energiedichte von 1070 Wh/L auf und liegt damit deutlich über den 800 Wh/L von heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Das Herstellungsverfahren ist kostengünstig und lässt sich an bestehende Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien anpassen. Dies ebnet den Weg für eine kommerzielle Herstellung von festen Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität.
Der Notwendigkeit, CO₂-Emissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen, hat zu einem starken Anstieg bei den Elektrofahrzeugen geführt. Das Wunsch nach grösserer Reichweite und kürzeren Ladezeiten macht jedoch deutlich, dass weiterhin Bedarf an noch besseren Hochleistungsbatterien besteht. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass diese Batterien günstig sind, machen sie doch derzeit fast die Hälfte des Preises eines Elektrofahrzeugs aus. Daher spielen die in diesen Batterien verwendeten Materialien eine Schlüsselrolle für deren Leistung, aber auch für ihre Erschwinglichkeit.
Hier kommen Feststoffbatterien ins Spiel. Anstelle des flüssigen Elektrolyten, der in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, nutzen diese Batterien ein festes Elektrolytmaterial, durch das die Lithiumionen zum Laden und Entladen fliessen. Dies bietet Vorteile wie eine höhere Energiedichte und eine geringere Brandgefahr. Auf der Materialebene ergibt sich die höhere Energiedichte der Zelle aus der Einführung einer dünnen Lithium-Metall-Anode zusammen mit einem ausreichend dünnen Festelektrolyt-Separator. Die Entwicklung einer kosteneffizienten Architektur für die Massenproduktion dieser Zellen ist jedoch nach wie vor schwer zu erreichen.
Nun hat das Konsortium im Rahmen des «SOLiDIFY»-Projekts den Prototyp einer Hochleistungs-Lithium-Metall-Batterie mit einem festen Elektrolyten entwickelt. Die Pouch-Zelle, die im hochmodernen Batterielabor von «EnergyVille» in Genk/Belgien hergestellt wurde, erreichte eine hohe Energiedichte von 1070 Wh/L, verglichen mit den 800 Wh/L heutiger Lithium-Ionen-Technologien. Die hohe Energiedichte wurde durch die Kombination einer dicken Kathode mit hoher Energiedichte (NMC, die Nickel, Mangan und Kobalt enthält) erreicht, die von einer dünnen Lithium-Metall-Anode durch einen dünnen Festelektrolyt-Separator getrennt ist. Mit einem Herstellungsprozess, der bei Raumtemperatur durchführbar ist, sich an aktuelle Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien anpassen lässt und voraussichtlich weniger als 150 € pro kWh kosten wird, verspricht dieses Verfahren einen erschwinglichen Transfer in die Industrie.
Dieser Erfolg wurde durch die sorgfältige Evaluierung und Optimierung neuer Materialien und fortschrittlicher Beschichtungstechnologien erreicht. Für den Elektrolyten des Prototyps wurde ein polymerisiertes, auf einer ionischen Flüssigkeit basierendes festes Nanokompositmaterial entwickelt. Dieses ermöglichte einen einzigartigen, von der Empa zum Patent angemeldeten «Flüssig-zu-Fest»-Verfestigungsansatz, mit dem sich ein sehr dünner Separator von 20 μm herstellen lässt, der aber auch die Verwendung einer dicken Kathode von 100 μm Dicke und einen kompakten Batteriezellenstapel ermöglicht.
Zudem gelang es dem Konsortium, die Herausforderungen in Bezug auf die mechanische Festigkeit und die Kathodenimprägnierung zu überwinden, sowie die Ladezeit der Zelle auf drei Stunden und ihre Lebensdauer auf 100 Zyklen zu erhöhen. Im Vergleich zu anderen Feststoffbatterien wies die thermisch stabile Zelle eine geringere Entflammbarkeit auf, was die Sicherheit erhöht. Die Anwendung von nanometerdünnen Schutzschichten ermöglicht die Verwendung von kobaltarmen NMC-Kathoden, die die Umweltbelastung verringern und gleichzeitig eine höhere Kapazität bieten. Zu den nächsten Schritten gehört die weitere Hochskalierung dieser Hochleistungsbatterie-Technologie.
Originalveröffentlichung
Chengyin Fu, Gerrit Homann, Rabeb Grissa, Daniel Rentsch, Wengao Zhao, Tom Gouveia, Anaïs Falgayrat, Rongying Lin, Sébastien Fantini, Corsin Battaglia; "A Polymerized‐Ionic‐Liquid‐Based Polymer Electrolyte with High Oxidative Stability for 4 and 5 V Class Solid‐State Lithium Metal Batteries"; Advanced Energy Materials, Volume 12, 2022-4-22
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