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NEULIBE - Neuartige Lithium Ionen Batterien

Im Jahr 2001 publizierte die Europäische Kommission den Bericht „Future Needs and Challen-ges für Non-Nuclear Energy Research in the European Union“, der das Ergebnis von acht Expertenworkshops zusammenfasst. Diesem Bericht zufolge ist die Entwicklung von Schlüsseltechnologien von höchster Priorität, wobei die Lithium-Ionen Technologie hierbei als eine jener Schlüsseltechnologien zur Energiespeicherung beschrieben wird. In der Tat haben sich die Lithium-Ionen Akkumulatoren in den letzten 15 Jahren im so genannten 3-C Markt (camera, cell phone, computer) durchgesetzt. In diesem Zeitraum haben sich die Energiedichten mehr als verdoppelt, was jedoch beinahe ausschließlich auf technologischen Fortschritt zurückzuführen ist, wie z.B. die Erhöhung der Packungsdichte der Aktivmassen, der Einsatz dünnerer Separatoren oder die Verwendung dünnerer Stromsammlerfolien. Diese Weiterentwicklung und Optimierung der bestehenden Technologie kann als so genannte Evolution bezeichnet werden. Die Nachfrage an hochenergetischen, hochleistungsfähigen Lithium-Ionen Batterien, die außerdem ein hohes Maß an Sicherheit bieten, wurde in den letzten Jahren noch verstärkt. Zusätzlich zu dem noch immer jährlich um ca. 10 % wachsenden 3-C Markt, der auf Grund eines steigenden Energiebedarfs der mobilen Anwendungen bei gleichzeitiger Tendenz zur Miniaturisierung nach neuen Speichern verlangt, kommen Anwendungen mit hohem Marktpotential wie Pufferbatterien (für Solar und Windkraftanlagen) und Speicherbatterien für Elektromobilität (Hybrid Electric- und Electric Vehicles) hinzu. Um den Anforderungen an diese Akkumulatoren bezüglich Energiedichte, Leistungsdichte und Sicherheit gerecht zu werden, bedarf es neuer Batteriematerialien und neuer, nachhaltiger Konzepte (Revolution). Dem vorliegenden Projekt liegt der Anspruch zu Grunde, die Energiedichte und Leistungsdichte von Lithium-Ionen Batterien durch den Einsatz eines neuartigen Stromsammlers wesentlich zu steigern, und auf diesem Wege eine fortschrittliche Speichertechnologie zu entwickeln. Silizium, (höchste spezifische Speicherdichte aller Lithium-Speichermaterialien) als negative Aktivmasse hat eine zehnfach höhere spezifische Energiedichte als die derzeit verwendeten Kohlenstoffverbindungen. Allerdings muss für den Einsatz von siliziumbasierenden negativen Elektroden die schlechte elektronische Leitfähigkeit dieser ausgeglichen und die Auswirkungen der großen Volumensänderungen (mechanischer Abbau der Elektrode), die während dem Laden/Entladen der Zelle auftreten, unterbunden werden. Stand der Technik bei Stromsammlern für Lithium-Ionen Batterien sind Strom-sammlerfolien oder s.g. Streckmetall. Beide Stromsammlertypen können die Herausforderungen neuer Anwendungen und Materialien nicht oder nur bedingt erfüllen, da sie lediglich über eine 2-dimensionale Ableiterfläche verfügen und auf diese Art nur wenig Kontaktfläche für die Ableitung der Elektronen bieten und zudem nur bedingt zur mechanischen Stabilisierung der Elektrodenkomposite aus Aktivmassen, Leitruß sowie Binder beitragen können. Das vorliegende Projekt zielt auf die Verwendung eines umhüllend metallisierten Kunststoffvlieses ab, welches eine 3-dimensionale Struktur besitzt und eine ca. dreimal größere Kontaktfläche im Vergleich zu Stromsammlerfolien bietet. Erste Messungen bestätigen die Vorteile wie bessere elektronische Kontaktierung, höhere Zyklenstabilität und bessere Stromratenfähigkeit (prompte Energiebereitstellung). Weiters soll im Zuge des Projekts die Oberfläche des Stromsammlers durch spezielle Abscheidebedingungen strukturiert werden, um einen bestmöglichen elektronischen Kontakt und eine bestmögliche Haftung der eingebrachten Elektrodenkomposite zu gewährleisten

Ergebnisse

Die im Projekt angewandten elektrochemischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie und Konstantstromzyklisierung) zeigen, dass die Anwendung des entwickelten und verwendeten Vlieses als Stromsammler für die negative und die positive Elektrode möglich ist.

Auf Seiten der negativen Elektroden konnte eine homogene Oberflächenvergrößerung des Vlieses mittels des gewählten Verfahrens der Pulsabscheidung erzielt werden. Diese Oberflächenvergrößerung gewährleistet in weiterer Folge einen besseren Kontakt zwischen Aktivmaterial und Stromsammler, wodurch eine verbesserte Kinetik der Elektrodenreaktionen beobachtet werden kann. Desweiteren zeigen die Ergebnisse eindeutig, dass durch die Dreidimensionalität des Stromsammlers und der daraus resultierenden Einbettung des Aktivmaterials in diesen, eine Reduktion des Verlustes an Aktivmaterial bei Verwendung von Intermetallischen Verbindungen als Aktivmaterial gegeben ist.

Auf Seiten der positiven Elektrode konnte die galvanische Abscheidung von Aluminium auf dem Vlies gezeigt werden. Des weiteren wurde die Möglichkeit der Oberflächenstrukturierung durch verschiedene Abscheideverfahren und -bedingungen gezeigt, welche im weiteren Projektverlauf für das Design einer definierten Oberfläche notwendig sind.

Steckbrief

Projektnummer
821964
Koordinator
Technische Universität Graz Institut für Chemische Technologie von Materialien
Projektleitung
Stefan Koller, s.koller@vartamicroinnovation.com
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
10.2009 - 09.2012
Budget
660.384 €