Technologien für die Verarbeitung von Festkörperbatteriematerialien und den Zellbau unter Inert-Atmosphäre (Glovebox)

Aktuell setzt insbesondere die Automobilindustrie auf die Festkörperbatterie (auch: Feststoffbatterie) für Elektro-Autos. Für die Entwicklung dieser Batterien und Akkus auf Basis der Festkörpertechnologie, bei der feste und keine flüssigen Elektrolyte zum Einsatz kommen, werden neue Materialien und Fertigungsverfahren gebraucht. Das Fraunhofer IFAM untersucht unterschiedliche Verfahren für die Entwicklung und Verarbeitung von Rohstoffen und Materialien sowie den Zellbau von Feststoffbatterien. Im Batterielabor können alle Verfahren mittels einer Glovebox in einem Micro-Environment unter Inert-Atmosphäre angewandt werden.

Technologien für jeden Schritt der Batterieentwicklung

Das Batterielabor des Fraunhofer IFAM verfügt für jeden Schritt der Batterieentwicklung über die passenden Technologien:

Materialentwicklung	Für die erfolgreiche Entwicklung einer Festkörperbatterie ist die Auswahl der richtigen Materialien von Bedeutung. Neben der Wahl der richtigen Speichermaterialien/Aktivmaterialien ist vor allem der richtige Einsatz von Zuschlagsstoffen wie Leitadditiven und Bindern entscheidend.
	Für die Evaluierung einzelner Materialien (Bindersysteme) im Zusammenspiel mit weiteren Komponenten setzt das Fraunhofer IFAM auf umfangreiche chemische analytische Verfahren (NMR, XPS, XRD, REM), die einen Probentransfer unter Inertbedingungen zulassen sowie auf elektrochemische Methoden.
	Zur Qualitätskontrolle der Ausgangsmaterialien wird die Karl-Fischer-Titration eingesetzt.
Pasten / Slurry / Kompositentwicklung	Für die Mischung von lösemittelbasierten Dispersionen (Pasten/Slurries) zur Herstellung von Beschichtungsmassen stehen unterschiedliche Mischaggregate wie Rührwerke mit verschiedenen Mischköpfen oder Mischer (Intensivmischer, Flügelmischer) zur Verfügung. Zur weiteren Homogenisierung kann ein Dreiwalzwerk eingesetzt werden.
	Zur Evaluierung innovativer Mischverfahren ohne Einsatz von Lösemitteln steht am Fraunhofer IFAM ein Doppelschneckenextruder zur Verfügung.
	Begleitend zur Rezepturentwicklung stehen analytische Methoden zur Bestimmung der wesentlichen Prozessparameter (wie Viskometrie und Oberflächenspannung) unter Argonatmosphäre zur Verfügung.

© Fraunhofer IFAM
Doppelschneckenextruder unter Inertbedingungen.

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Eirich-Mischer zur großskaligen Herstellung von Beschichtungsmassen.

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Femix-Mischer zur trockenen Verarbeitung von thermoplastischen Polymeren.

Beschichtungstechnologie zur Komponentenentwicklung	Die Herstellung einzelner Batteriekomponenten (Kathode und Elektrolyt / Separator) im kleinen Maßstab zur Materialevaluation erfolgt mittels automatischem Filmziehgerät und Rakeltechnik. Die unterschiedlichen Breiten und Schichtdicken werden mittels verschiedener Rakel realisiert.
	Für die Applikation dünner Schichten in einem größeren Maßstab ist ein Sheet-to-sheet Schlitzdüsenbeschichter (engl. Slot Die Coater) verfügbar.
	Als alternative Technik zur Herstellung von Festkörperbatterien stehen Siebdruckanlagen bereit.
	Für die Applikation dünner Lithium-Metall-Anoden sowie das Aufbringen von Vermittlerschichten in Li-freien Zellkonzepten ist eine Glovebox zur physikalischen Gasphasenabscheidung ausgerüstet.

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Schlitzdüse unter Inertbedingungen.

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Erprobung von Siebdruck als innovative Technologie zur Elektrodenfertigung.

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In Glovebox integrierte Sputteranlage für PVD-Prozesse.

Zellassemblierung (Pressen, Kalandrierung, Verdichten)	Für die Performance der Festkörperbatterie ist die Verbindung der einzelnen Schichten ein bedeutender Prozessschritt. Hierzu stehen für die Zellassemblierung hydraulische Pressen und ein Laborkalander zur Verfügung. Der aufgebrachte Druck kann ortsaufgelöst detektiert werden.
Messtechnik	Zur elektrochemischen Charakterisierung von Zellkomponenten sowie Halb- und Vollzellen stehen verschiedene Potentiostaten und Batteriezelltester zur Verfügung. Die Tests können unter kontrollierten Umgebungsbedingungen durchgeführt werden.
Messtechnik	Für die Post-mortem-Analytik steht ein Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) unter Inertbedingungen bereit.

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Kalander zur Verdichtung und Transfer von Festkörperbatteriezellkomponenten.

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Druckaufbau zum Zylisieren von Festkörperbatterie Pouchzellen.

Glovebox: Fertigung von Feststoffbatterien in Micro-Environment

Viele Materialien, die für die Anwendung als Elektrolyte in Festkörperbatterien in Frage kommen, sind unter normalen Umgebungsbedingungen nicht stabil. Entweder sind sie hydrophil, sammeln also Wasser aus der Umgebungsluft, oder reagieren gar mit Wasser oder Sauerstoff. Beides führt zu einer Reduktion der Leistungsfähigkeit in der späteren Batterie und muss bei der Herstellung unbedingt vermieden werden. Zum Schutz von feuchte- und luftempfindlichen Materialien werden diese in Micro-Environments unter Schutzgas (Argon) gehandhabt. Die Arbeit in Gloveboxen ermöglicht dabei eine ideale Kontrolle der Umgebungsbedingungen, die auf die Anforderungen späterer skalierter Produktionsschritte übertragen werden kann. Hier beantworten wir vor allem die Frage, ob die Herstellung der Batteriezellen aus ökonomischer und ökologischer Sicht ebenfalls in Micro-Environments oder in großen Trockenräumen stattfinden sollte.

Beispielhafte Anwendungen der Technologien in BMBF-Projekten

Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien – ALANO (BMBF)

Die Aufgaben des Fraunhofer IFAM im Teilprojekt »Prozessierung, Fertigung und Recycling von Lithiummetall-Festkörperbatterien« beinhalten zum einen die Fertigung von Zellkomponenten wie Separatoren und Kompositkathoden auf Basis von sulfidischen Ionenleitern und zum anderen den Vollzellenbau mit den entwickelten Anodensystemen. Das Ziel für die Zellkomponenten ist es, diese im Teilprojekt sukzessive durch die im Gesamtprojekt gewonnenen Erkenntnisse anzupassen. Dabei wird neben der Art und Menge der eingesetzten polymeren Binder auch die Verarbeitung dahingehend optimiert, die Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Zusammen mit den im Gesamtprojekt entwickelten Lithiummetallanoden werden anschließend Vollzellen in Form von Pouchzellen gefertigt. Ziel ist es hierbei, sowohl mögliche Zelldesigns (bspw. monopolar/bipolar) als auch die nötigen Betriebsbedingungen (Temperatur und Druck) zu evaluieren.

Kontinuierliche, lösungsmittelfreie Elektrodenherstellung mit intelligenter Qualitätssicherung und Prozessüberwachung gekoppelt mit KI – KontElPro (BMBF Kompetenzcluster Intelligente Batteriezellproduktion - InZePro)

Ziel von KontElPro ist es, bestehende, innovative und gut skalierbare Verfahren der lösungsmittelfreien Elektrodenfertigung (Extrusion, Trockentransfer-Verfahren) mit einer inline- Prozesskontrolle und einer standortübergreifenden, vernetzten Datenbank zu erweitern. Das Fraunhofer IFAM optimiert dabei Extrusionsprozesse zur kontinuierlichen Herstellung von Batteriekomponenten mittels Überwachung und Steuerung von Prozessparametern. Dazu werden im Projekt unter anderem Polymerelektrolyte extrudiert und die Prozessdaten Temperatur, Drehmoment und Druck aufgezeichnet. Im Zuge der Entwicklung eines digitalen Workflows werden die Prozessdaten mit den Projektpartnern evaluiert.

Zellplattform Thiophosphate – FB2-Thio (BMBF Kompetenzcluster für Festkörperbatterien - FestBatt)

Am Fraunhofer IFAM liegt der Fokus in dem Teilvorhaben »Prozesstechnologie zur Produktion thiophosphat-basierter Festkörperbatteriezellen« (PhatBatt) auf der Prozessierung von thiophosphat-basierten Separatoren mittels skalierbarer Methoden. Dafür wird insbesondere die Verwendung einer Schlitzdüsenbeschichtung als neuartiger Ansatz verfolgt. Dabei müssen zum einen chemisch stabile und rheologisch angepasste Slurries hergestellt und zum anderen die Prozessparameter evaluiert werden. Zusätzlich gilt es, diese Methode auch für den Zellbau direkt einzusetzen, indem Separatoren direkt auf Kompositelektroden beschichtet werden.

Querschnittsplattform Produktion – FB2-Prod (BMBF Kompetenzcluster für Festkörperbatterien - FestBatt)

Zentrales Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Erforschung einer skalierbaren qualitätsgesicherten Produktion leistungsfähiger Festkörperbatterien auf Basis der in den Zellplattformen untersuchten Festelektrolyte. Hierzu bildet das Konsortium die gesamte Produktionskette im kleinen Pilotmaßstab ab, ausgehend von der Prozessierung von Kompositkathoden und Separatoren der verschiedenen Materialklassen mittels verschiedener skalierbarer Ansätze, über Assemblierung, Zellbau und Konditionierung sowie elektrochemischer Charakterisierung hin zu einer sowohl ökonomischen als auch ökologischen Bewertung des vollständigen Produktionsprozesses. Am Fraunhofer IFAM werden dabei Prozesse zur Herstellung polymerbasierter Separatoren entwickelt. Dabei werden Prozesse sowohl zur Fertigung von freistehenden Polymerseparatoren als auch zum direkten Auftrag auf Kompositkathoden betrachtet. Die Reproduzierbarkeit wird über die Auswahl geeigneter Verfahren (Rakeln, Schlitzdüse, Drucken) und die Anpassung der Prozessparameter (Auftragsgeschwindigkeit, Temperatur) über den Projektverlauf kontinuierlich verbessert.

Alternative Verfahrenstechnik: Festkörperbatterien mit 3D-Drucktechnologien

Eine neuartige Verfahrenstechnik zum Herstellen von Batteriezellkomponenten wie Separatoren, Kathoden und Anoden stellt der 3D-Druck dar. Auf Basis der Kompetenzen des Fraunhofer IFAM in additiven Fertigungstechnologien werden damit Fertigungsszenarien evaluiert, die Festkörperbatterien herstellen, die flexibel auf anspruchsvolle Bauräume angepasst werden können.

Batterielabor für die Entwicklung von Festkörperbatterien