Sekundäre Lithium-Ionen-Batteriesysteme stellen aufgrund einer hohen Energie- und Leistungsdichte die derzeit vielversprechendste Lösung für mobile elektrifizierte Anwendungen, wie z.B. den Automobilbau, dar. Kernbestandteil dieser Systeme ist die Zelle, in der unterschiedlich hohe chemische Potentiale zwischen verschiedenen Elektrodenmaterialien dazu genutzt werden, Energie zu speichern und diese durch die Verschiebung von Ionen- und Elektroden zwischen den Elektroden abzurufen. Insbesondere bei Verwendung zukünftiger Hochenergiematerialien (Si, Zn, Li) treten beim Laden- und Entladen der Zellen aber deutliche Volumenänderungen auf, die Beschädigungen der Zellkomponenten und vorzeitige Alterungseffekte zur Folge haben. Im Projekt KoDI werden daher Mechanismen zur Kompensation dieser Volumenänderung entwickelt und nötige Adaptionen in die konventionellen Batterie-Fertigungsprozesse eingebracht.
acp systems AG
Ansmann AG
Hubert Stüken & Co. KG
INFICON
ITP GmbH
Wirth Werkzeugbau GmbH
Sekundäre Lithium-Ionen-Batteriesysteme stellen aufgrund einer hohen Energie- und Leistungsdichte die derzeit vielversprechendste Lösung für mobile elektrifizierte Anwendungen, wie z.B. den Automobilbau, dar. Trotz einer über 30-jährigen Entwicklungszeit lassen sich aber weiterhin deutliche Verbesserungen in Bezug auf die Schnellladefähigkeit, eine höhere Sicherheit und elektrochemische Performance konventioneller Batterien ausmachen. So könnten in zukünftigen Batteriezellen anstelle des etablierten Aufbaus aus Kohlenstoff-Anode, Lithium-Metall-Kathode und flüssigem Elektrolyt Hochenergieelektroden wie Siliziumkomposite oder reine Lithium-Metall Anoden Verwendung finden. Mit der Nutzung dieser neuen Materialsysteme gehen allerdings insbesondere für den zyklischen Langzeitbetrieb weitere Herausforderungen einher, die sich unter anderem auf deutlichen Volumenänderungen dieser Hochenergieelektroden während der Lade- und Entladezyklen zurückführen lassen. In Folge dieser Änderungen können inhomogene Druckschwankungen, Degradationen der verwendeten Materialien und Beeinträchtigungen der internen Kontaktierung auftreten. Zur Verhinderung dieser vorzeitigen Alterungseffekte und Stabilisierung der elektrochemischen Reaktion ist eine flächig, homogene und stationäre Druckverteilung unabhängig vom vorliegenden Zellvolumen wünschenswert. Im Projekt „KoDI – Kompensation von Druckschwankungen im Inneren von Batteriezellen“ sollen daher Kompensationsmechanismen auf Zell- und Moduleben entwickelt und aufgebaut werden, die eine solche isostatische Druckverteilung bewirken. Dabei werden großformatige Pouch-Zellen fokussiert.
Für die methodische Untersuchung der Kompensationsmechanismen der Druck- und Volumenausdehnungen werden in einem ersten Schritt die relevanten Anforderungen an die beiden Betrachtungsebenen (Batteriezelle und Batteriemodul/ -system) sowie an die damit verbundenen Fertigungsprozesse definiert. Darauf basierend findet eine detaillierte Konzeptionierung möglicher Lösungsansätze statt, die auf eine Modifikation der unterschiedlichen Gehäuse oder das Einbringen zusätzlicher Elemente abzielt. Ausgehend von den Konzepten werden Prototypen aufgebaut. Da zurzeit die Materialien zukünftiger Batteriezellen nicht in den benötigten Mengen und in gleichbleibender Qualität vorhanden sind, wird zudem ein Referenzsystem des Zellinneren entwickelt, mit dem die Druck- und Volumenausdehnungen variabel erzeugt werden können. Darüber hinaus werden Prüfverfahren zur Quantifizierung relevanter Betriebsparameter, wie der Druckverteilung, der Dichtheit und der Volumenänderung erarbeitet. Mit Hilfe des Referenzsystems und der Prüfverfahren werden Validierungsversuche an den Prototypen der Kompensationsmechanismen durchgeführt. Durch die in die Batteriezellen eingebrachten Modifikationen können sich die etablierten Fertigungsprozesse unter Umständen stark verändern. Um eine Überführung der prototypisch entwickelten Kompensationslösungen in die spätere Anwendung zu ermöglichen, müssen auch die notwendigen Anpassungen der Fertigungsprozesse untersucht werden. Hierzu wird die Fertigung von Batteriezellen mit dem Kompensationsmechanismus in einem teilautomatisierten Demonstrator umgesetzt. Abschließend erfolgt eine technische und wirtschaftliche Bewertung der erarbeiteten Projektergebnisse und die Ausarbeitung eines Skalierungskonzeptes für eine großserientaugliche Produktion.