15.04.2019, 10:55 Uhr

Batterien mit hoher Energiedichte durch neuen Beschichtungsprozess

Dresden - Für die Batteriesysteme der Zukunft gelten Lithium-Metall-Anoden als Schlüsselelement. Ein Problem stellt bisher die Produktionslösung zur Herstellung von Lithiumfolien mittels des üblichen Walzverfahrens dar. Mit diesem Verfahren können großflächig Schichten unter 50 Mikrometern Dicke nur sehr aufwendig hergestellwerden. Das soll sich ändern.

Wissenschaftler des Fraunhofer Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben ein innovatives Verfahren zur kosteneffizienten Herstellung dünner Lithiumanoden aus geschmolzenem Lithium entwickelt. Ein neuer Beschichtungsprozess erlaubt es, Lithiumschichten weniger Mikrometer Dicke zu erzeugen.

Lithium-Metall-Anoden in Lithium-Schwefel-Zellen erreichen Rekord-Speicherwerte

Lithium-Metall-Anoden ermöglichen eine Maximierung der Energiedichte sowohl in Bezug auf das Zellvolumen als auch auf die Masse. Die Lithium-Metall-Anode wird bereits in Lithium-Schwefel-Zellen eingesetzt, um Rekordwerte in der spezifischen Energie von mehr als 400 Wattstunden pro Kilogramm zu erreichen. Die besten Lithium-Ionen-Batterie-Zellen erreichen im Vergleich dazu derzeit lediglich 250 Wattstunden pro Kilogramm. Darüber hinaus könnten Festkörperbatterien die volumetrische Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Batterien bei Verwendung der Lithium-Metall-Anode um mehr als 70 Prozent überschreiten. Probleme bereitet derzeit noch das eingesetzte Walzverfahren im Rahmen des Herstellungsprozesses von Lithiumfolien.

Neuer Beschichtungsprozess mit lithiophiler Oberfläche ist Kern der neuenLösung

Das Fraunhofer IWS arbeitet bereits seit einigen Jahren an einem Beschichtungsprozess, mit dem Lithiumschichten weniger Mikrometer Dicke erzeugt werden können. Die wichtigste Innovation liegt in einer neuen lithiophilen Oberfläche, die eine kostengünstige und homogene Abscheidung dünner Schichten aus geschmolzenem Lithium auf metallischen Substraten ermöglicht. »Wir sind in der Lage, dünne Nickel- und Kupferfolien so zu behandeln, dass eine Beschichtung aus der flüssigen Phase bzw. aus der Schmelze des Lithiums möglich wird«, erläutert Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS. Da sich Kugeln ausbildeten, wenn flüssiges Lithium auf eine unbehandelte Kupfer- oder Nickelfolie aufgebracht würde, sei das Benetzen der Folienoberfläche mit Lithium nicht möglich. »Dies ist jedoch unbedingt notwendig, um eine Beschichtung zu erzeugen und das schaffen wir mit einer lithiophilen Substratoberfläche«, konkretisiert Dr. Althues. Weitere Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, dass sich die entwickelte IWS-Technologie besonders günstig realisieren und bereits im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf industrielle Maßstäbe hochskalieren lässt.

Über die Projekte „MaLiBa“ und „LiMeCut“

In dem Verbundprojekt Maßgeschneiderte Metall-Anoden für zukünftige Batteriesysteme (MaLiBa) entwickelt das Fraunhofer IWS in Zusammenarbeit mit der Justus-Liebig-Universität Gießen, der hpulcas und der Prüfgesellschaft SGS maßgeschneiderte und oberflächenmodifizierte Lithium-Anoden für Batterien der Zukunft, während das Projekt LiMeCut (gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des eurostars-Programms unter der Förderkennziffer 01QE1837) in Zusammenarbeit mit OxisEnergy und ULT auf die Entwicklung einer flexiblen Laserprozesstechnologie zum Schneiden von Lithiumanoden abzielt. Erste Projektergebnisse werden im Rahmen der Konferenz „Lithium-Metal-Anodes“ im November 2019 in Dresden im Rahmen eines ganztägigen Programms mit Beiträgen internationaler Experten aus Wissenschaft und Industrie vorgestellt.

Quelle: IWR Online

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