Elektromobilität Hochenergie-Batteriezellen mit siliziumreichen Anoden für hohe Zyklenlebensdauer

Siliziumreiche Lithium-Ionen-Batterien versprechen hohe Energiedichten für Anwendungen in der Elektromobilität oder Luft- und Raumfahrt. Allerdings haben sie auch einen entscheidenden Nachteil – nämlich ihre begrenzte Zyklenlebensdauer. Im Projekt „StrOboBatt“ gelang es, selbst gefertigte 25-Ah-Pouchzellen mit siliziumreichen Anoden über mehr als 1000 Vollzyklen zu betreiben. Ergebnis: Die Vollzellen hatten im Anschluss noch über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

„Die Zyklenlebensdauer ist eine der zentralen Hürden für den breiten industriellen Einsatz siliziumreicher Anoden. Mehr als 1.000 Zyklen bei einem Kapazitätserhalt von mindestens 80 Prozent gelten hier als wichtiges Performanceziel“, erklärt Dr. Lukas Dold, Teamleiter Batteriematerialtechnologie und Skalierung am Fraunhofer ISE. „Mit unseren Pouchzellen konnten wir dieses Ziel erreichen und gleichzeitig eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg auf Zellebene im vom Fraunhofer ISE designten PrecISE-Forschungszellformat demonstrieren. In einem industriell optimierten Pouchzellformat ist eine gravimetrische Energiedichte von etwa 330 Wh/kg erwartbar.“

Silizium statt Graphit

Im Projekt StrOboBatt, kurz für Struktur- und oberflächenoptimierte Silizium-Anoden und Hochenergie-Kathoden für energiedichte Lithium-Ionen-Batterien, fertigten die Forscher Mehrlagen-Vollzellen (40 Lagen) mit einer Kapazität von 25 Ah. Zum Einsatz kamen kommerziell verfügbare Elektrodenfolien mit einer Silizium-Kohlenstoff/Graphit-Anode und einer nickelreichen Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Kathode. Silizium besitzt im Vergleich zu dem aktuell als Anodenmaterial eingesetzten Graphit eine um den Faktor zehn höhere theoretische spezifische Kapazität. Kommt es in strukturoptimierten Silizium-Kohlenstoff-Kompositen zum Einsatz, kann es die globale Rohstoffabhängigkeit von Graphit reduzieren. Die Wertschöpfung, vor allem in der Rohstoffgewinnung, ließe sich damit in Richtung EU verlagern. In den Testzellen betrug der Anteil des Silizium-Kohlenstoff-Komposits am Anodenaktivmaterial 51 Prozent. Die Anoden erreichen eine spezifische Kapazität von mehr als 1.000 mAh/g und eine flächenspezifische Kapazität von mehr als 5 mAh/cm².

Gefertigt wurden die Mehrlagen-Pouchzellen auf einer halbautomatischen Fertigungslinie im Trockenraum des Zentrums für Elektrische Energiespeicher am Fraunhofer ISE. Sie verbinden damit hohe Elektrodenkapazitäten mit einem industrienahen Zellformat und dienen im Projekt als Referenzzellen für die Bewertung neuer Materialien, Zellkonzepte und Betriebsbedingungen.

Welchen Einfluss hat der mechanische Druck?

Neben der Zyklenlebensdauer untersuchten die Forscher den Einfluss des mechanischen Drucks auf die Pouchzellen während des Betriebs. Hierfür wurden die Zellen bei zwei unterschiedlichen axialen Anpressdrücken (300 bzw. 1000 kPa) innerhalb von einer Stunde jeweils geladen bzw. entladen (1 C-Betrieb). Ein Axialdruck von außen auf die Zelle bewirkt u.a. verbesserte Grenzflächenwiderstände und senkt die Gefahr der Ablösung der Elektrodenmaterialien voneinander und vom Substrat, was insbesondere bei siliziumhaltigen Anoden relevant ist. Durch regelmäßige Check-up-Zyklen bei niedrigeren Stromraten konnte der Einfluss des Druckes auf die Zyklenfestigkeit bewertet werden. „Der axiale Druck hat einen deutlichen Einfluss auf das Langzeitverhalten der Zellen. Bei einem Anpressdruck von 1000 kPa erreichen unsere Zellen auch nach mehr als 1000 Vollzyklen noch über 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität“, erläutert Marc Kissling, Gruppenleiter für Batteriezellproduktion und Technologiebewertung am Fraunhofer ISE. „Bei geringerem Anpressdruck von 300 kPa zeigt sich insbesondere im 1C-Betrieb eine deutlich stärkere Abnahme der nutzbaren Kapazität über die Zeit. Der mechanische Zelldruck ist damit ein wichtiger Parameter für den stabilen Betrieb siliziumreicher Pouchzellen.“

Die Untersuchungen zeigen zugleich einen zunehmenden Unterschied zwischen der bei niedriger Entladerate bestimmten Restkapazität und der im regulären 1C-Betrieb nutzbaren Kapazität. Ein Hinweis darauf, dass für die Bewertung siliziumreicher Zellen neben dem reinen Kapazitätserhalt auch ihre Leistungsfähigkeit unter anwendungsnahen Betriebsbedingungen berücksichtigt werden muss. (se)

(ID:50997158)