CarbForBatt - Maßgeschneiderte Kohlenstoffe für Hochenergieanoden in Lithium-Ionen-Batterien und für Batteriesysteme der nächsten Generation

Abstract

Im Forschungs- und Entwicklungsprojekt CarbForBatt stand die Entwicklung maßgeschneiderter synthetischer Graphite sowie hochperformanter Graphit/Silizium-Komposit-Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien im Fokus. Hintergrund ist der weiterhin zentrale Stellenwert graphitbasierter Anoden in der Batterietechnologie, deren Leistungsfähigkeit, Zyklenstabilität und Sicherheit jedoch gezielt verbessert werden müssen, um den steigenden Anforderungen insbesondere im Bereich Elektromobilität gerecht zu werden. Gleichzeitig spielen geopolitische Aspekte, wie die starke Abhängigkeit von asiatischen Rohstofflieferanten, eine zunehmende Rolle und unterstreichen die Notwendigkeit, alternative Materialien und nachhaltige Prozessketten in Europa zu etablieren. Das Projekt zielte darauf ab, die gesamte Wertschöpfungskette von Anodenmaterialien – von der Auswahl geeigneter Vorläufermaterialien über die Hochtemperatur-Graphitierung bis hin zur Partikelmodifikation und Kompositbildung – abzubilden und neue Ansätze zur Optimierung der Anoden | Elektrolyt-Grenzfläche zu erproben. Dabei wurde in einem ersten Schritt die Herstellung synthetischer Graphite durch Hochtemperaturbehandlungen realisiert und erfolgreich durch verschiedene Aktivatoren energetisch effizienter gestaltet. Es konnte gezeigt werden, dass sich synthetische Graphite aus verschiedenen Vorläufermaterialien, einschließlich biogener Ausgangsstoffe, erfolgreich herstellen und gezielt modifizieren lassen. In weiteren Arbeitspaketen wurden Strategien zur gezielten Einstellung der Partikelmorphologie und Oberflächeneigenschaften entwickelt, etwa durch Abrundung, Sichtung und Beschichtung. Aufbauend darauf konnten Silizium/Graphit-Komposite hergestellt werden, die eine deutliche Steigerung der spezifischen Kapazität gegenüber reinem Graphit ermöglichen. Ergänzende Beschichtungen, beispielsweise mittels Aluminiumoxid, wurden eingesetzt, um die durch die Volumenausdehnung des Siliziums verursachte Degradation zu reduzieren und die Zyklenstabilität zu verbessern.