SiLiNE - "Si-Film-Anoden für Lithium/Silizium-NMC Energiespeicher" im Rahmen des Verbundsvorhabens: Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020 Transfer)

Abstract

Ziel des Projekts SiLiNe war es, die Hochskalierung der Hochleistungsanoden aus 100% porösem Silizium (PorSi Anoden) aus dem Vorgängerprojekt PorSSi weiter voranzu- bringen, wobei neben der Forschung und Entwicklung der Anoden ein besonderes Augenmerk auf die Verbesserung und Hochskalierung der Anlagentechnik gelegt wurde. Silizium eignet sich aufgrund der sehr hohen theoretischen spezifischen und volumetrischen Kapazität und sehr guten Verfügbarkeit als alternatives Anodenmaterial. Der breite industrielle Einsatz von reinen Siliziumanoden scheitert bislang jedoch an der ausgeprägten Volumenausdehnung von bis zu 300 % während der Lithiierung, die zu mechanischer Degradation und Kontaktverlusten innerhalb der Zellen führt. Aktuelle Lösungsansätze adressieren diese Problematik überwiegend durch den Einsatz von Silizium-Kompositen, Nanopartikeln oder durch hohe Anteile inaktiver Materialien wie Binder, Leitadditive oder Matrixwerkstoffe. Im Falle von porösem Silizium wird diese Problematik durch interne Hohlräume umgangen, um so ein mechanisches Versagen sowie eine zu drastische Ausdehnung in z-Richtung verhindern. Die vollflächig geätzten Folien, die auf der Inline-Pilotanlage (InPorSi), die während des Vorgängerprojekts gebaut wurde, zeigten starke laterale und vertikale Porösitätsschwankungen, die Prozesstechnisch nicht behebbar waren. Diese führten in der Batterie zu mechanischen Schwachstellen, sodass die Schichten während der Lithiierung abgeplatzt sind. Deshalb wurde zur Charakterisierung der Stromdichte-, Spannungs- und Widerstandsverteilung ein Messaufbau entworfen und die Ätzanlage im anodischen und katho- dischen Becken vermessen, sowie alle elektrochemischen Reaktionen und Elektroden separat charakterisiert. Die Messungen haben klar gezeigt, dass die Stromschwan- kungen hauptsächlich durch stark unterschiedliche Bahnwiderstände durch den Elektrolyten im anodischen und kathodischen Becken entstehen. Dieser Effekt wird durch Verengungen des Beckendurchmessers im Bereich der Laufrollen verstärkt.