Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Vorlaufforschung für neue Batteriesysteme
In-operando-Temperaturmessung
In-operando-Temperaturmessung über die Grenzflächen Anode/Separator/Kathode einer modellhaften Batteriezelle.
Die aktuellen Herausforderungen bezüglich der Wärmeentwicklung in Lithium-Ionen-Batterien erfordern ein umfassendes Verständnis der wärmegenerierenden Prozesse und Mechanismen auf mikroskopischer Ebene. Ein speziell entwickelter Messaufbau ermöglicht die ortsaufgelöste In-operando-Temperaturmessung über die Grenzflächen Anode/Separator/Kathode einer modellhaften Lithium-Ionen-Batterie-Zelle mit sehr hoher lateraler Auflösung. Durch die zusätzliche Detektion des axialen Temperaturverlaufs kann die dreidimensionale Temperaturverteilung bei definierten Lade- und Entladeströmen rekonstruiert werden.
Im Gegensatz zu gängigen integralen Messungen an kommerziellen Batteriesystemen lassen sich somit Wärmequellen und -senken des elektrochemischen Systems lokalisieren, identifizieren und differenzieren. Die Kombination aus lokaler In-operando-Temperaturmessung und fortgeschrittenen elektrochemischen Techniken erlaubt die Aufklärung komplexer Zusammenhänge zwischen Kinetik und Thermodynamik der individuellen Zellbestandteile und der resultierenden, lokalen Wärmeentwicklung. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden mechanistische Modelle entwickelt, welche in die Modellierung und Simulation des elektrochemisch-thermischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien einfließen und die Grundlage für eine zielgerichtete Werkstoffoptimierung hinsichtlich thermisch bedingter Sicherheitsaspekte bilden.
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High-Energy-Kathode
Kontinuierliche Flachfolienextrusion von High-Energy-Kathoden.
Die Erhöhung der Energiespeicherdichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist eines der zentralen Ziele aktueller Entwicklungen, um die Anforderungen vor allem automobiler Anwendungen zu erfüllen. Ein wesentlicher Ansatzpunkt dafür liegt in der Optimierung der Kathodenstruktur und deren Speicherinhalt, da diese den »Lithiumlieferanten« für die Zelle darstellt. Optimierte Zellen besitzen heute Kathoden mit einer spezifischen Flächenkapazität von etwa 4 mAh/cm². Erreicht wird dies durch die Verwendung von Aktivmaterialien hoher Speicherdichte in Kombination mit erhöhten Packungsdichten der Elektrode. Flächengewicht und Elektrodendichte stellen somit die technologischen Stellschrauben für speicherdichteoptimierte Elektrodendesigns dar. Allerdings ergeben sich Einschränkungen aus der Verarbeitbarkeit in den Folgeprozessen der Zellherstellung (mechanische Anforderungen, Dauer der Elektrolytbefüllung) und der Zellperformance im Betrieb (insbesondere limitierte Ratenfähigkeit durch limitierte Lithium-Ionendiffusion).
Das Fraunhofer IKTS bearbeitet im Labor- und Technikumsmaßstab extrusionsbasierte Abscheideverfahren, wobei sowohl klassische Extrusionsprozesse (Feststoffanteil 90 %) aus der keramischen Technologie als auch der Auftrag über Schlitzdüsen (Feststoffanteil 50 bis 70 %) großes technologisches Potenzial besitzen.
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Festkörperbatterie
Komponenten und Charakterisierung von keramischen Festkörperbatterien.
Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperionenleitern und Lithium-Metall-Anoden werden aufgrund ihrer höheren spezifischen Energie sowie ihres vorteilhaften Sicherheitsverhaltens als vielversprechende Speichertechnologien der nächsten Generation gehandelt.
Das Fraunhofer IKTS befasst sich seit vielen Jahren mit der Entwicklung Lithium-leitender Gläser und Festelektrolyte sowie deren Integration im Zellverbund. Ziel ist es, geeignete Prozesstechnologien für die Herstellung von vollkeramischen Festkörperbatterien (insbesondere Kompositkathode und Festelektrolytseparator) zu erarbeiten.
Kernthemen sind dabei die Realisierung eines defektfreien, stabilen Elektrolytseparators (Vermeidung von Dendritenwachstum an der Lithium-Metall-Anode), die Kompensation thermomechanischer Spannungen in der Kompositkathode und im Elektrolyten (Atmen des Aktivmaterials, Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten) sowie die Herstellung einer Kompositkathode mit geringer Restporosität bei gleichzeitiger Vermeidung von schädigenden Nebenreaktionen zwischen Aktivmaterial und Ionenleiter. Dafür sind neben der Entwicklung der Fertigungsverfahren geeignete Kombinationen von Aktivmaterial und Ionenleiter sowie die Optimierung von Korn-, Oberflächen- und Mikrostruktur zu untersuchen.