HEADLINE: High-power high-load Li-Ionen Zellentwicklung für extrudierte Elektroden

Abstract

Um die breite Einführung von Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität, einschließlich Landfahrzeugen, Schifffahrt und Luftfahrt, zu unterstützen, hatte das Projekt HEADLINE zum Ziel, die Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Herstellungskosten von Batteriezellen zu verbessern. Das Kernziel bestand in der Entwicklung und Validierung einer hochenergetischen, schnell ladbaren Lithium-Ionen-Zelle unter Verwendung innovativer, umweltfreundlicher Herstellungsverfahren für Elektroden mit hoher Kapazität. Im Rahmen des Projekts wurden erfolgreich neue, hochleitfähige Materialien eingeführt, um sowohl die Kapazität als auch die Lebensdauer zu verbessern. Diese Materialien wurden in Elektroden integriert, die mit einem neuartigen, halbtrockenen Extrusionsverfahren hergestellt wurden. Der Schwerpunkt lag auf der Verwendung fortschrittlicher Elektrolytmaterialien, hochkapazitiver aktiver Materialien und spezieller Separatoren. Das übergeordnete Ziel war es, die Lebensdauer und Stabilität sowohl von Pouch- als auch von zylindrischen Zellen zu verbessern und die Marktreife mit einem Technologiereifegrad (TRL) über 5 nachzuweisen. Das Konsortium deckte die gesamte Wertschöpfungskette ab, von der Entwicklung von aktiven Materialien, Bindemitteln und Elektrolyten über Extrudersysteme (einschließlich Werkzeugentwicklung, Simulation und Glättung) bis hin zur Zellproduktion im Labor- und Demonstratorformat. Die Beteiligung von fünf kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) stellte die Praxisnähe sicher und unterstützte das nachhaltige Wachstum der deutschen Batterieindustrie. Die integrierte Struktur des Projekts ermöglichte eine enge Zusammenarbeit in allen Phasen und erleichterte den erfolgreichen Transfer der Entwicklungen auf die Rundzellenformate von EAS und die Pouch-Zellenformate von IKTS. Ein weiterer Schwerpunkt der Testentwicklung liegt auf den zu überwachenden Prozessen, nämlich der Zugabe von Rohstoffen in den Extruder, der Materialzusammensetzung zwischen den jeweiligen Knetphasen in der Schnecke, der Extrudatqualität am Düsenaustritt und nach dem Glätten sowie der Entwicklung von Steuerungs- und Regelungskonzepten zur Prozessoptimierung. Dazu wird Sensortechnik auf Basis von Ultraschall- oder Wirbelstromverfahren eingesetzt. Ziel ist es, die Zusammensetzung und Homogenität von Batteriepasten und -folien während des Prozesses in Echtzeit zu überwachen, zu steuern, zu flexibilisieren und zu digitalisieren. Zu diesem Zweck werden verschiedene innovative Messverfahren erforscht, die die Anwendungsmöglichkeiten der Wirbelstrom- und Ultraschallprüftechnik, beispielsweise in der Batteriekomponententestung, erheblich erweitern.