Modul II: Skalierung von Festkörperbatterien durch neue Produktionstechnologien
Festkörperbatterien gelten als eine der vielversprechendsten Technologien für zukünftige Energiespeichersysteme. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bieten sie das Potenzial für eine höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit und eine längere Lebensdauer. Trotz bedeutender Fortschritte in den letzten Jahren bleibt der Übergang von Zellen im Labormaßstab zur industriellen Fertigung eine große Herausforderung.
Das Christian-Doppler-Labor für Festkörperbatterien untersucht die wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen, die mit der Entwicklung praxistauglicher Festkörperbatterien verbunden sind. In seinen ersten Forschungsphasen konzentrierte sich das Labor darauf, die Grenzflächen innerhalb von Festkörperbatterien zu verstehen und Herstellungsverfahren für mehrschichtige Pouch-Zellen zu entwickeln. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf dem Zusammenhang zwischen Materialien, Verarbeitungsbedingungen und elektrochemischer Leistung.
Ein entscheidender Verarbeitungsschritt bei der Zellherstellung ist die Verdichtung und Laminierung der Festelektrolyt- und Elektrodenschichten. Dichte und mechanisch stabile Schichten sind unerlässlich, um einen guten Ionenkontakt, einen geringen Innenwiderstand und eine zuverlässige Batterieleistung zu erzielen. Während sich Verdichtungsverfahren im Labormaßstab wie das warmisostatische Pressen für die Forschung als äußerst effektiv erwiesen haben, ist ihre Eignung für die industrielle Großproduktion begrenzt.
Das neue Forschungsmodul am AIT Austrian Institute of Technology konzentriert sich daher auf die Entwicklung alternativer Fertigungstechnologien, die mit der kontinuierlichen industriellen Produktion kompatibel sind. Die Forschung untersucht den Einsatz der Doppelbandpressentechnologie als kontinuierliches Laminierverfahren für Festkörperbatteriekomponenten. Im Gegensatz zu chargenbasierten Pressverfahren bietet das kontinuierliche Bandpressen die Möglichkeit, großflächige Batterieschichten unter genau kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen zu verarbeiten und ist gleichzeitig mit einer Fertigung mit hohem Durchsatz kompatibel.
Ziel der Forschung ist es, zu verstehen, wie Verarbeitungsparameter wie Druck, Temperatur, Verweilzeit, Bandgeschwindigkeit und Trocknungsbedingungen die Verdichtung von Festelektrolyten und Verbundelektroden, die Qualität der Grenzflächen zwischen den Batterieschichten und letztlich die elektrochemische Leistung der zusammengebauten Zellen beeinflussen. Durch die Ermittlung dieser Zusammenhänge zwischen Prozess, Struktur und Eigenschaft wird das Projekt die wissenschaftliche Grundlage für die zukünftige industrielle Produktion von Festkörperbatterien schaffen.
Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit der Berndorf Band GmbH durchgeführt, einem internationalen Hersteller von kontinuierlichen Doppelbandpressensystemen. Die Kombination von Berndorfs Fachwissen im Bereich der industriellen Verarbeitungstechnologie mit der Batteriefertigungsinfrastruktur des AIT und der wissenschaftlichen Expertise des Christian-Doppler-Labors schafft ein einzigartiges Umfeld für die Entwicklung von Fertigungskonzepten für Festkörperbatterien der nächsten Generation.
Gemeinsam decken die Aktivitäten an der NTNU und am AIT den gesamten Weg vom grundlegenden Verständnis von Materialien und Grenzflächen bis hin zur Entwicklung skalierbarer Fertigungstechnologien ab. Die Forschung wird dazu beitragen, eine der größten Herausforderungen in der Festkörperbatterietechnologie zu bewältigen und den Übergang zur industriellen Produktion zu unterstützen.
