Auf dem Weg zu Festkörperakkus für E-Fahrzeuge und Smart Grids

| Autor / Redakteur: Prof. Dr. Philippe Vereecken * / Thomas Kuther

Das Elektrolytmaterial spielt eine Schlüsselrolle

Das Elektrolytmaterial spielt in der Entwicklung von Akkus mit größerer Speicherkapazität eine Schlüsselrolle. Da diese Materialien immer höhere Ionenleitfähigkeiten erreichen, werden neue Architekturen für Akkus möglich, mit immer dickeren Elektroden und folglich höherer Speicherkapazität infolge der größeren Materialmenge. Die höhere Leitfähigkeit des Eletrolyten bedeutet, dass sich die Lithiumionen über größere Distanzen bewegen können. Mit den heute verfügbaren Festkörperelektrolyten (wie LiPON, einem mit Stickstoff dotierten Lithiumphosphatsalz) erreicht man eine intrinsische Leitfähigkeit von nur 10-7 bis 10-6 S/cm. Das heißt, der elektrolytische Layer ist auf eine maximale Dicke von 1 µm begrenzt. Um diese Akkus für den Einsatz in Elektrofahrzeugen aufzurüsten, braucht man Leitfähigkeiten von 10-3 bis 10-2 S/cm.

Hohe Ionenleitfähigkeit mit Nano-Composit-Elektrolyten

Imec investiert kräftig in die Entwicklung der Festkörperelektrolyten und entwickelt Nanomaterialien, um hohe Ionenleitfähigkeiten zu erreichen, unter anderem eine nanoporöse Kieselerde. Das ist ein Material, mit dem Imec große Erfahrung in der Halbleiterfertigung hat. Wenn man es mit einem Lithiumsalz zu einem Verbundstoff kombiniert, lässt sich damit eine schnellere Ionenleitung erreichen. Denn die Lithiumionen bewegen sich in diesem Material nur entlang der Oberfläche. Ihre Leitfähigkeit wird weiter gesteigert durch den von uns „Pore Confinement“ genannten Effekt. Dabei werden die Lithiumionen in der Porenstruktur des Materials eingeschlossen. Damit werden die Eigenschaften des Bulk-Materials stark verändert. Mit dieser Methode hat Imec erfolgreich einen Nano-Composit-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von einigen mS/cm bei Raumtemperatur hergestellt. Das ist mehr als genug zur Produktion von Akkus mit hoher Speicherkapazität auf der Basis von Pulverelektroden.

Pulververbundstoff-Akku für große Speicher

Mit diesem Elektrolyten haben die Forscher einen Punkt erreicht, an dem sie zur Entwicklung von Festkörperakkus mit Festkörperstruktur auf der Basis von Pulververbundstoffen beginnen können. In diesen Akkus sind die Elektrodenstrukturen wesentlich dicker (>70 µm), mit dem Ergebnis erheblich höherer Speicherkapazitäten. Der neue Elektrolyt mit einer Ionenleitfähigkeit von einigen mS/cm zeigt, dass die Lithiumionen die Strecke innerhalb und zwischen den Elektroden überbrücken können.

Mit dieser Zelle zielt Imec auf Speicherkapazitäten in der Größenordnung von Amperestunden. Das bedeutet, sie kann in Akkus für die portable Elektronik wie Laptops oder Kameras eingesetzt werden – aber auch in den Elektrofahrzeugen der Zukunft. Das Gleiche gilt für Heimspeicheranlagen am Versorgungsnetz. Durch den Einsatz von Festkörperakkus lässt sich eine sichere Alternative zum „nassen“ Lithium-Ionen-Akku schaffen. Das ist von großem Wert für Applikationen wie Elektrofahrzeuge. Außerdem wird es möglich sein, diese Akkus kompakter zu gestalten als die existierenden „nassen“ Lithium-Ionen-Akkus. Deshalb werden sie auch eine höhere Energiedichte aufweisen.

Bekannte Beschichtungstechnologie für neuen Akkutyp

Um diesen neuen Akkutyp herzustellen, setzen die Forscher so weit wie möglich dieselbe Beschichtungstechnologie ein, wie sie in der Fertigung von „nassen“ Akkus eingesetzt wird. Zur Elektrodenbeschichtung werden aktive Elektrodenpartikel mit Maßen im Mikrometerbereich eingesetzt. Um die elektrische Leitfähigkeit dieser porösen Elektroden zu vergrößern, wird ihnen Kohlenstoff hinzugefügt. Ein Binder-Polymer hält die aktiven Partikel und den Kohlenstoff in den Elektroden auf einer metallischen Folie zusammen. Nach dem Trocknen und Komprimieren der Elektrodenbeschichtung werden Anode und Kathode zusammengeführt, mit einer porösen Membran zwischen ihnen als Separator. Der so zusammengesetzte Akku-Stack wird anschließend mit dem flüssigen Elektrolyt getränkt, damit dieser zwischen den porösen Elektroden und im porösen Separator zwischen den Kathoden- und Anoden-Layern präsent ist.

Nano-Composit-Elektrolyt als nasse Beschichtung

Der Pulver-Composit-Akku von Imec wird in ähnlicher Weise gefertigt. Allerdings wird hier der Nano-Composit-Elektrolyt als nasse Beschichtung aufgebracht und dann getrocknet, um den Festkörper-Elektrolyt zu erhalten. Imec hat erste Demonstratoren dieses Akkus gebaut, unter Nutzung von LFP (LiFePO4) als Kathode, und LTO oder metallischem Lithium als Anode. Die Elektroden wurden unter Nutzung des spezifischen, wässrigen Bindermaterials beschichtet. Bislang wurden 50% der Kapazität einer ähnlichen Zelle mit flüssigem Elektrolyten erreicht. In einem folgenden Schritt wollen die Forscher die Kapazität und die Zyklus-Performance erhöhen.

Die Entwicklung der Pulver-Composit-Akkus ist Teil der EnergyVille-Forschungsaktivitäten, in denen die Expertise der KU Leuven, von VITO, der Hasselt Universität und Imec in nachhaltigen Energie- und intelligenten Energiesystemen zusammenlaufen. Die Hasselt Universität und das zu Imec gehörende Imomec-Labor sind ebenfalls an dieser Arbeit beteiligt. Imec kooperiert mit ihnen bei der Fortführung der Forschungsarbeit in Pulverbeschichtungen und Nanopartikeln für Elektroden. Die nächste Stufe ist die Aufskalierung der Technologie. Dies wird hauptsächlich im neuen Batterielabor (mit Trockenraum) stattfinden, das in Genk als Teil von EnergyVille errichtet wird.

* Prof. Dr. Philippe Vereecken ist Principal Scientist und Program Manager „Electrochemical Storage“ bei Imec.

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