Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Partikel eines kobaltfreien Kathodenmaterials, hergestellt am ZSW. ©Bild: Zsw

Neue Batteriematerialien in grossen Mengen herstellen: ZSW errichtet Anlage zur Herstellung von Kathodenmaterialien in Chargen von bis zu 100 kg

(PM) Ob Energiedichte, Lebensdauer, Kosten oder Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien: Massgeblich bestimmen die Materialien in der Kathode all diese Eigenschaften. Ein Schlüssel, um im internationalen Wettbewerb vorne dabei sein zu können, liegt daher in der schnellen Verfügbarkeit neuester Kathodenmaterialien – und das in grossen Mengen. Mit dem Grossprojekt Powder-Up! errichtet das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (Zsw) in den nächsten Monaten in Ulm eine Pilotanlage zur Herstellung solcher hochleistungsfähigen Kathodenmaterialien für zukünftige Generationen von Lithium-Ionen-Batterien.


Diese Materialien können in der Powder-Up!-Anlage in Mengen bis zu 100 Kilogramm hergestellt werden. Wissenschaftliche Partner in Deutschland und Europa, aber auch Partner aus der Industrie, können diese Kathodenmaterialien künftig für den Einsatz auf ihren Pilotanlagen nutzen. Damit wird eine gravierende Lücke in der wissenschaftlichen Landschaft in Deutschland geschlossen. „Aktuell werden Kathodenmaterialien der nächsten Generation in Deutschland nicht im industriellen Massstab hergestellt. Für Universitäten und Forschungseinrichtungen ist es daher nahezu unmöglich, derartige Materialien in Forschungsarbeiten zu Hochleistungsbatterien einzusetzen“, sagt ZSW-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm, Prof. Markus Hölzle. „Powder-Up! wird diese Lücke schliessen.“

Vom Metallsalz bis zum Kathodenpulver
Mit dem Projekt Powder-Up! bauen die Forscherinnen und Forscher des Zsw eine Pilotanlage für die Hochskalierung der Synthese massgeschneiderter Kathodenmaterialien vom 1-Kilogramm- über den 10-Kilogramm- bis zum 100-Kilogramm-Massstab auf. Die Materialien sollen dann Forschungs- und Industriepartnern für die Zellentwicklung bereitgestellt werden.

Die grosstechnisch etablierte Prozesskette der Kathodenmaterialherstellung mit ihren komplexen Teilschritten wird vollständig abgebildet: Von der Produktion eines sogenannten Precursors über die Fällungsreaktion von beispielsweise Nickel- oder Kobaltsalzen mit Natronlauge und der Weiterverarbeitung dieses Precursors mit Lithiumsalzen bei Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius bis hin zur abschliessenden Oberflächennachbehandlung des Endproduktes. Jeder Einzelschritt ist dabei entscheidend für die Qualität dieser Materialien. In Powder-Up! kommen ausschliesslich industriebewährte Maschinen zum Einsatz, um eine Pulverherstellung unter industrienahen Bedingungen zu garantieren. Diese Maschinen decken die komplette Prozesskette ab, ermöglichen aber auch Forschungsarbeiten zu einzelnen Fertigungsschritten. Ergänzt werden sie durch erstklassige Analytik sowie eine schnelle Datenerfassung und Verarbeitung zur Sicherung höchster Qualitätsstandards.

Zunächst in kleinster Skalierungsstufe
Die Rezeptur- und Prozessentwicklung wird zunächst in kleinster Skalierungsstufe ausgeführt. Hierbei ist es das Ziel, in kurzer Zeit mit niedrigen Kosten ein Zielrezept für einen ausgewählten Prozess zu erstellen. Die optimierten Parameter überträgt das Zsw dann in den grösseren Massstab, die sogenannte Pilotierung. Durch digitalisierte Analytik und vernetzte Prozessschritte mit lückenloser Prozessdatenerfassung soll der Einfluss der Syntheseparameter auf Ressourceneinsatz, Produktausbeute, Partikeldesign und elektrochemische Performance statistisch erfasst und wissenschaftlich ausgewertet werden.

Das Zsw erforscht seit über 30 Jahren Funktionsmaterialien für Batterien und Superkondensatoren und ist daher mit der Entwicklung massgeschneiderter Pulver und Pasten vertraut. Zudem kennt das Forschungsinstitut die Zusammenhänge von Struktur und Pulvermorphologie bezüglich gewünschter Funktions- und Verarbeitungseigenschaften.

Neue Batteriematerialien essenziell für Wettbewerbsfähigkeit
Leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien sind die entscheidenden Bausteine in Elektroautos oder für intelligente Stromspeicher in Industrie und Haushalt. Damit sich der Wirtschaftsstandort Deutschland in der Batterieentwicklung und -fertigung erfolgreich gegenüber asiatischen Wettbewerbern behaupten kann, müssen neueste Ergebnisse aus der Forschung zeitnah in Produkte umgesetzt werden. Hierfür ist die schnelle Verfügbarkeit neuester Aktivmaterialien zwingend erforderlich, denn nur mit besseren Materialien lassen sich erstklassige Zellen realisieren.

Text: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (Zsw)

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