CAESAR – Entwicklung von Hochenergie-Lithium-Ionen-Batteriezellen für mobile Anwendungen durch Kombination von Hochinnovativen Nickel-reichen Kathodenmaterialien und Silicium-dominanten Anoden

Abstract

Für die Defossilisierung der Energieversorgung ist die Entwicklung von Hochenergie-Batteriesystemen eine zentrale Herausforderung. Insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise im Forst- und Garten-Powertool-Bereich, werden Batterien mit hoher spezifischer Energie (Wh/kg) bzw. Energiedichte (Wh/l) benötigt. Daher lag der Fokus dieses Projekts auf der Entwicklung und Validierung von Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien entlang der gesamten Wertschöpfungskette, angefangen bei der Materialherstellung bis hin zum Prototypenbau und der Testung auf Pack-Ebene. Auf Materialebene sollten sowohl Anode, Kathode als auch Elektrolyt optimiert werden, um eine Steigerung der Energiedichte und spezifischen Energie um mindestens 20% zu ermöglichen bei gleichzeitigem Erhalt von anwendungsrelevanten Zyklenfestigkeiten. Anodenseitig beinhalteten die Entwicklungsaufgaben die Optimierung des Si-Aktivmaterials und der Elektrodenzusammensetzung zum Ausgleich und zur Minimierung der kontinuierlichen Lithium-Verluste. Die Entwicklungsarbeiten der Kathode fokussierten sich primär auf den Einsatz von hochnickelreichen Materialien mit einem zusätzlichen Lithium-Puffer zum Ausgleich der Verluste an der Anode. Die Fertigung von Pouch- und Rundzellprototypen soll die Skalierbarkeit der entwickelten Zellchemien zeigen und deren Testung und Anwendung unter relevanten Bedingungen in Akku-Packs ermöglichen. Die wesentlichen Aufgaben bei der Entwicklung der Si-dominanten Anode hatten die Steigerung der Zyklenfestigkeit zum Ziel bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Material- und Elektrodenkapazitäten. Dafür sollte zum einen das Si-Aktivmaterial selbst optimiert werden, beispielsweise durch Anpassung der Partikelgrößenverteilung oder durch Aufbringung von Oberflächenmodifikationen. Zum anderen sollte auch die Anodenzusammensetzung optimiert werden hinsichtlich Binder, Aktivmaterial und Leitkomponenten. Als weitere Maßnahme zur Verbesserung der Zyklenfestigkeit der Anode wurden verschiedene Additivierungsoptionen untersucht, die den kontinuierlichen Li-Verlust ausgleichen sollten