Next Generation Energy Storage

Die Integration fluktuierender erneuerbarer Energiequellen in die zukünftige Energiewirtschaft und die Etablierung der Elektromobilität erfordern neue Material- und Technologiekonzepte für leistungsfähige und nachhaltige elektrische Energiespeicher. Dazu muss ein grundlegendes Verständnis einer neuen Generation von elektrochemischen Energiespeichersystemen aufgebaut und eine Plattform für zukünftige stationäre und mobile Anwendungen entwickelt werden. Um derzeitige Einschränkungen etablierter Batterietechnologien zu überwinden, einschließlich der Unsicherheiten in Bezug auf eine nachhaltige Materialversorgung, können alternative Materialien und eine nachhaltige Produktion mit optimierten Verfahren verwendet werden.

Als Teil des Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage), werden Batterien für eine nachhaltige Zukunft entwickelt. (https://www.postlithiumstorage.org/de/) Die Batterieforschung im Cluster zielt auf Batteriesysteme ab, die auf Natrium-, Magnesium-, Calcium- und Aluminium-Ionen basieren. Solche Systeme werden als „post-Li“-Batterien bezeichnet und haben, dass Potential einige Herausforderungen bei aktuellen Batterietechnologien zu überwinden und können eine langfristige Option für Massenanwendungen wie stationäre und mobile elektrochemische Speicher zu bieten. Erste Arbeiten an solchen Batterien haben gezeigt, dass sich die bisher etablierten Konzepte nicht einfach von der Li- auf die post-Li Technologie übertragen lassen.

Im Bereich Next Generation Energy Storage forscht die TFT an der Elektrodenprozessierung bei der Verwendung von neuartigen Materialien für Lithium-Ionen sowie post-Lithium-Ionen-Batterien (Abbildung 1). Dabei liegt ein Fokus auf dem Einfluss von Materialparametern sowie Partikelmorphologien auf die Verarbeitbarkeit während der Batterieherstellung. Außerdem zielt die Forschung auf den Einfluss von verfahrenstechnischen Randbedingungen während der Elektrodenherstellung auf die Eigenschaften der Elektroden bei der Verwendung neuartiger Systeme ab. Dies beabsichtigt die Formulierung von Material-Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen zur Vorhersage der Verarbeitbarkeit von neuen Materialien und dient dazu, Empfehlungen für das Material- und Partikeldesign auszusprechen.

Abbildung 1: SEM Aufnahmen verschiedener Aktivmaterialien für die Verwendung in Lithium-Ionen oder Natrium-Ionen Batterien. Die Aktivmaterialien weisen unterschiedliche spezifische Kapazitäten sowie Partikeldichten auf. Die Partikel unterscheiden sich außerdem in ihrer Partikelgröße, –größenverteilung sowie der –morphologie.

Herausforderungen bei der Prozessierung

Die Prozessparameter bei der Elektrodenherstellung (Mischen, Beschichten, Trocknen) sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Batterie. Insbesondere die Trocknung ist sehr kostspielig, muss genau gesteuert werden und die Trocknungszeiten müssen reduziert werden, um eine wirtschaftliche und wettbewerbsfähige Produktion zu erreichen. Die Untersuchungen der grundlegenden Prinzipien der Batterieelektrodenverarbeitung in Abhängigkeit von Materialien und Herstellungsbedingungen sollen auf den industriellen Maßstab zu übertragen sein. Insbesondere für die Beschichtung und Trocknung werden dazu speziell entwickelte und einzigartige Anlagen der TFT-Gruppe benötigt, die eine Verarbeitung im kleinen Maßstab unter industrienahen Bedingungen (Beschichtungs- und Trocknungsparameter) ermöglichen. Die Untersuchungen werden z.B. anhand von state-of-the-art Slurry Zusammensetzungen (z.B. >90 Gew.-% Aktivmaterial), nach standardisierten Prozessen und Protokollen, unter definierten Prozessparametern und bei industrienahen Massenbeladungen durchgeführt.

Die Bildung der Mikrostruktur und die Verteilung der Komponenten hängen sehr stark von den Prozessparametern ab und werden in der Literatur häufig als Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen diskutiert. Die kapillargetriebene Entleerung der sich ausbildenden Mikrostruktur während der Trocknung führt zu einer inhomogenen Verteilung der Komponenten und insbesondere des Binders. Durch die schnellere Trocknung ist der Gradient stärker ausgeprägt und beeinflusst die Eigenschaften der Elektrode (Abbildung 2; Website Coating/Drying).

Abbildung 2: Einfluss schneller Trocknung auf die Binderverteilung (PVDF Verteilung in einer schnell getrockneten NCM Kathodenelektrode) und die Elektrodeneigenschaften (Haftung, elektrischer Widerstand, elektrochemische Performance).

Es fehlt jedoch noch ein umfassendes Wissen über die Wechselwirkung zwischen den Slurry-Komponenten, insbesondere der Morphologie des aktiven Materials und den Prozessparametern, was weitere Prozessforschung erfordert. Daher ist nicht bekannt, wie sich ein neues Material oder eine neue Morphologie auf die Prozesskette auswirkt und wie die Verarbeitung ihrerseits die Eigenschaften der Elektrode beeinflusst (Abbildung 3). Umgekehrt werden bei der Entwicklung aktiver Materialien oft nur die elektrochemischen Eigenschaften berücksichtigt, nicht aber die Verarbeitung der Elektroden. Ziel ist es, die Elektrodenherstellung durch grundlegende Untersuchungen der Slurry Herstellung und Verarbeitung sowie der Mikrostrukturausbildung während des Trocknens für verschiedene Materialien sowie der Partikelmorphologien zu verstehen (Abbildung 3). Damit sollen Herausforderungen, aber auch Chancen für die Verarbeitung neuer Materialien identifiziert werden. Außerdem müssen die Prozessparameter gezielt variiert werden, um ein tieferes Verständnis für die Wechselwirkungen während der Verarbeitung in Abhängigkeit von den aktiven Materialien zu entwickeln.

Abbildung 3: Verarbeitung von wässrig prozessierten LIB und SIB Anoden und Kathoden. Viskositätsverlauf in Abhängigkeit der Aktivmaterialien über der Scherrate (links). Trocknungszeit und Trocknerlänge (@60 m min^-1 Produktionsgeschwindigkeit) in Abhängigkeit der Aktivmaterialien über der Trocknungsrate (mitte). Haftkraftverhalten von Elektroden als Maß für die Bindermigration, die bei unterschiedlichen Trocknungsraten hergestellt wurden (rechts).

Prozessierung von nanoporös, strukturierten Aktivmaterialien

Eine besondere Partikelmorphologie für LIB aber insbesondere für post-Li Systeme stellen porös, nanostrukturierte Aktivmaterialien zur Verbesserung der Schnellladefähigkeit sowie verbesserten Lebensdauer dar. Diese Verbesserungen werden auf eine erweiterte Elektrolyt-Aktivmaterial-Grenzfläche zurückgeführt, die durch die hohe innere Porosität (30-50 %) der Partikel erreicht wird und die Diffusionswege innerhalb der Aktivmaterialien für den Ladungstransfer verkürzt. Aufgrund der porösen Partikelmorphologie ergeben sich neue Herausforderungen aber auch Chancen bei der Verarbeitung im Vergleich zu kompakten Partikeln. Im Vergleich zu konventionellem, kompaktem NCM zeigt poröses NCM eine geringere Haftkraft, jedoch keinen oder nur einen geringen negativen Einfluss auf die C-Rate-Fähigkeit durch Bindemittelmigration (Abbildung 4) bei höheren Trocknungsgeschwindigkeiten.

Abbildung 4: Binderverteilung in langsam und schnell getrockneten Elektroden bei der Verwendung von konventionellem, kompaktem Aktivmaterial im Vergleich zu porös, nanostrukturierten Partikeln. Im Fall der porös, nanostrukturierten Partikeln befindet sich der Binder nicht ausschließlich in den Poren zwischen den Partikeln, sondern ist homogen über den gesamten Querschnitt auch innerhalb der Partikel verteilt.

Mehrlagenarchitekturen

Darüber hinaus wird die Herstellung von hierarchisch strukturierten Elektroden (Mehrlagen-Architekturen) grundlegend untersucht, um Transportwiderstände in der Elektrode zu reduzieren und maßgeschneiderte Elektrodenstrukturen für Lithium- und post-Li Batterien zu erzeugen (Abbildung 3).

Mehrschichtige Architekturen stellen eine Möglichkeit dar, die Eigenschaften der Elektroden weiter zu optimieren, indem Porosität, Porengröße oder Bindemittelgradienten angepasst werden. Die Herstellung solcher Strukturen erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den Eigenschaften der Slurry und den Beschichtungstechnologien sowie den Trocknungsmechanismen. Mehrlagen mit enorm verbesserten Elektrodeneigenschaften können durch den optimalen Einsatz von z. B. kompakten sowie porösen, nanostrukturierten Partikeln hergestellt werden (Abbildung 5, rechts). Jedes Material hat seine Vorteile, die in der Mehrlage kombiniert werden können (Energiedichte, Haftung, C-Rate-Fähigkeit). Das gleiche Konzept wurde auf Hard Carbon Elektroden für Natrium-Ionen Batterien mit dem Bindersystem CMC/SBR angewandt (Abbildung 5, links). Dadurch ließen sich die Haftungseigenschaften bei geringerem Bindergehalt verbessern.