Projektbearbeitung: Jannes Müller und Markus Nöske
Die Speicherung von elektrischer Energie findet mittlerweile in vielen Bereichen Anwendung. Häufig kommen dabei Lithium Ionen Batterien zum Einsatz. Insbesondere für Anwendungen im Mobilitätssektor bietet die Steigerung der Zellkapazität das Potential die Reichweite von Elektrofahrzeugen signifikant zu erhöhen. Im Rahmen des BMBF-Projektes SiGgI („Silicon Graphite goes Industry“) soll daher die Steigerung der Anodenkapazität durch den Einsatz neuartiger Aktivmaterialien auf Basis von Silizium-Kohlenstoffkompositen (Si/C Komposite) und deren Verarbeitung in skalierbaren Prozessen untersucht werden. Silizium-haltige Anoden bieten im Vergleich zu konventionellen Graphit-Anoden das Potential einer theoretischen Kapazitätssteigerung um den Faktor 10. Dabei sollen verschiedene Prozesswege (siehe Abbildung) zur Herstellung der Si/C Komposite und ihr Einfluss auf die Materialstruktur sowie –performance untersucht werden. Den Ausgangspunkt stellt dabei der Zerkleinerungsprozess in einer Rührwerkskugelmühle dar. Hierbei sollen zunächst die Einzelkomponenten separat beansprucht werden. Ziel ist es, dass Silizium bis in den Nanometerbereich zu zerkleinern. Dabei wird der Einfluss von Prozess- und Formulierungsparametern auf die Eigenschaften der nanopartikulären Silizium-Suspensionen charakterisiert und letztere optimiert. Außerdem wird die Delaminierung von Graphit zu Graphen, welches eine vielversprechende Kohlenstoffkomponente für die Herstellung von Si/C Kompositen darstellt, in einer Rührwerkskugelmühle untersucht.
In der zweiten Projektphase wird die Mehrstoffzerkleinerung von Silizium und Kohlenstoffkomponenten näher betrachtet und die erhaltenen Materialstrukturen analysiert. Ziel ist es die Verarbeitung der finalen Beschichtungssuspension für die Elektrodenherstellung direkt in der Rührwerkskugelmühle zu etablieren.
Abb.: Prozessstrategien für die Herstellung neuartiger Silizium-Kohlenstoffkomposite für den Einsatz in innovativen Lithium Ionen Batterien
Weiterführend wird die Verarbeitung der hergestellten Silizium-Nanopartikel zu Silizium Kohlenstoffkompositen und zu Elektroden in Lithium-Ionen Batterien untersucht. Dabei wird die Herstellung von Kompositen z.B. mittels Sprühtrocknung und Wirbelschichtverfahren näher betrachtet, welche anschließend im Labormaßstab und im Pilotmaßstab zu Elektroden verarbeitet werden. Hier ist die Formulierung der Anodensuspensionen von besonderem Interesse, da die Komposite intakt in die Elektroden überführt werden müssen. Die Hergestellten Elektroden werden insbesondere hinsichtlich Ihrer Struktur und der elektrochemischen Performance untersucht.