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PolySafe: Lithium-Ionen-Batterien sicherer machen

Ziel von PolySafe ist es, die spezifische Energie und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien durch den Einsatz neuartiger Stromkollektoren zu steigern. Im Fokus stehen dabei Metall-Polymer-Komposit-Stromkollektoren, die das thermische Durchgehen von Batteriezellen deutlich erschweren und damit die Brandgefahr verringern. An dem mit knapp vier Millionen Euro geförderten Projekt sind neben der Battery LabFactory Braunschweig der Technischen Universität Braunschweig Partner aus Forschung und Industrie beteiligt.

Neben dem Gewichtsvorteil gegenüber heute eingesetzten reinen Metall-Stromkollektoren erlauben die Metall-Polymer-Stromkollektoren eine Unterbrechung des Stromkreises bei Erreichen einer kritischen Temperatur. Wird diese Temperatur erreicht, schmilzt der Stromsammler, so dass der Stromfluss und damit der Kurzschluss unterbrochen werden. Stromkollektoren sind gut leitende, dünne Metallfolien. Auf ihnen wird das Aktivmaterial aufgebracht, das für die Energiespeicherung in Batterien verantwortlich ist.

Die Machbarkeit der Herstellung der Metall-Polymer-Stromkollektoren wurde bereits gemeinsam von der VON ARDENNE GmbH und dem Fraunhofer FEP im Rahmen des sächsischen Forschungsvorhabens PolyCollect demonstriert. Durch das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung konnten bis zu 1 Mikrometer dicke Aluminiumschichten auf Polymersubstraten mit Dicken bis 8 Mikrometer erzeugt werden. Allerdings existieren bisher zu wenige Daten aus Prototypzellen mit diesem Material, weshalb die anwendungsnahe Evaluation dieser Technologie noch aussteht. Das soll nun im Rahmen von PolySafe geschehen. Ziel des Forschungsprojektes ist, eine an die Metall-Polymer-Stromkollektoren angepasste Prozesskette zur Herstellung von Batteriezellen in verschiedenen Formaten (Rundzelle, Pouchzelle) zu qualifizieren und den Sicherheitsvorteil in unterschiedlichen Zelldesigns- und -chemien anwendungsnah zu untersuchen.

Neben der Integration der hergestellten Metall-Polymer-Stromkollektoren in Batteriezellen wollen die Projektpartner Aluminium- bzw. Kupfer-Polymer-Stromkollektoren dediziert an die Anforderungen des jeweiligen Zelldesigns anpassen und optimieren. Die Herausforderung ist, die Polymersubstrate und den Beschichtungsprozess so auszulegen, dass eine zu aktuellen Metallfolien vergleichbare Dicke sowie eine optimale elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht gewährleistet ist. Zugleich sollen die Produktionskosten der Stromkollektoren auf ein konkurrenzfähiges Niveau gebracht werden.

Die Battery LabFactory Braunschweig (BLB) der TU Braunschweig bringt ihre Kompetenzen zum Produktionsprozess und zur Charakterisierung von Elektroden und Pouchzellen für Lithium-Ionen-Batterien ein. Die Metall-Polymer-Stromkollektoren werden hinsichtlich ihrer Eignung zur Integration in die Produktionsprozesse von Lithium-Ionen-Batterien untersucht und – wenn notwendig – die Produktionsverfahren gezielt angepasst.

Über die Battery LabFactory Braunschweig (BLB)
Die BLB der TU Braunschweig vernetzt als transdisziplinäres Zentrum 14 Institute zur ganzheitlichen Forschung und Entwicklung von batterieelektrischen Speichertechnologien und erstreckt sich über den gesamten Wertschöpfungskreislauf von der Materialherstellung über die Zellfertigung bis zum Recycling zur Schließung des Materialkreislaufes. In einer „Joint Pilot Facility“ wird die Elektroden- und Zellfertigung sowie die Zellkonditionierung in technischen, automatisierten Prozessen im Technikums- bis Pilotmaßstab abgebildet (Batterie-Technologieplattform 1000 Quadratmeter, davon 200 Quadratmeter Trockenraum, zudem 700 Quadratmeter Technika für Analytik und Post-Mortem-Analyse), so dass definiert Zellen im Großformat für Batterie-Demonstratoren produziert werden können.

Speziell im Projekt eingebracht wird i) die seit 2007 etablierte Prozess- und Produktkompetenz in der Elektrodenproduktion, ii) die Kompetenz in Fertigungs-, Füge- und Handhabungstechnologie im Bereich der Zellassemblierung, Konfektionierung, Kontaktierung iii) Methodenkompetenz für die energieorientierte Modellbildung und die Ökobilanzierung, sowie iv) elaborierte Prozeduren für Formierung und Zyklisierung zur Zellkonditionierung sowie Diagnosemethoden.

Aufgabenbereiche der Partner
Die VON ARDENNE GmbH übernimmt die Koordination des Forschungsprojektes PolySafe. Außerdem wird das Dresdner Unternehmen – ausgehend von den Ergebnissen der technologischen Entwicklung beim Fraunhofer FEP – sein Know-how zur technischen Konzeption einer Produktionsanlage zur Abscheidung der Metallschichten einbringen, die sowohl die technologischen als auch die wirtschaftlichen Anforderungen an eine Produktion von Metall-Polymer-Stromkollektoren erfüllt.

Die Brückner Maschinenbau GmbH & Co.KG arbeitet an der Entwicklung von Polymerfolien, die sowohl an die Anforderungen der Metallisierung als auch der Anwendung in Batterien angepasst sind. Dabei gilt es, innovative Polymersubstrate und Oberflächenbehandlungen zu entwickeln und zum Rollenmaßstab zu skalieren. Die vielversprechendsten Materialien sollen als Substrate zur Metallisierung zur Verfügung gestellt werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer FEP entwickeln eine geeignete technologische Prozessführung zur Abscheidung der Aluminium- und Kupferschichten in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess. Es gilt dabei, den Einfluss von Parametern des Bandlaufs, der Substratvorbehandlung sowie der Metallverdampfung ganzheitlich zu verstehen und optimale Prozesseinstellungen zur Erreichung der technologischen und wirtschaftlichen Anforderungen zu entwickeln.

Das Fraunhofer IST erforscht die Eignung der Metall-Polymer-Stromkollektoren für neuartige Batteriezellgenerationen, insbesondere mit dem Fokus auf die Lithium-Metall-Anoden. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei auf den Fertigungsschritten der Lithium-Metall-Anoden und der resultierenden Zellen liegen.

VARTA Microbattery übernimmt die Integration der neuen Elektroden mit Metall-Polymerstromkollektoren in Vollzellen und die normgerechte Sicherheitstestung. Insbesondere soll dabei die Prozessierung und Sicherheit von Rundzellen mit Metall-Polymerstromkollektoren untersucht und mit reinen Metallfolien verglichen werden.

Projektdaten:
PolySafe ist ein Forschungsprojekt zur Steigerung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien durch Metall-Polymer-Komposit-Stromkollektoren und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund vier Millionen Euro gefördert (Förderkennzeichen 03XP0408E). Das Projekt startete im August 2021 und hat eine Laufzeit von drei Jahren. Beteiligt sind neben der TU Braunschweig: VON ARDENNE GmbH (Koordination), Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG, Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST sowie die Varta Microbattery GmbH.