Printsolid - Druckbare Solid-State-Lithium-Batterien

Laufzeit: 05/2018 - 04/2021
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Vector Stiftung
Projektfokus:
Entladekapazität über 1000 Zyklen bei einer gedruckten Batteriezelle mit sulfidischem Ionenleiter
© Fraunhofer ISE
Entladekapazität über 1000 Zyklen bei einer gedruckten Batteriezelle mit sulfidischem Ionenleiter. In der Grafik sieht man auch den schematischen Aufbau einer All-Solid-State Batterie mit einer Lithium-Indium-Metall Legierung als Anode (links) und rechts das Foto einer gedruckten Separator-Schicht (weiß) auf einer gedruckten Kathode (schwarz) auf einer Aluminium-Ableiter-Folie.
Arbeiten an gedruckten Feststoff-Batterien in einer Glovebox
© Fraunhofer ISE
Arbeiten an gedruckten Feststoff-Batterien in einer Glovebox.

Lithium-Ionen Batterien sind ein wesentliches Element für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende, insbesondere auch im Verkehrssektor (Elektromobilität). Derzeitige Batterien mit flüssigen Elektrolyten weisen immer noch ein Restrisiko eines sogenannten "thermischen Durchgehens" auf. Auch wünscht man sich höhere Energiedichten für größere Reichweiten. 
Durch einen Wechsel zu festen Ionenleitern kann die Sicherheit deutlich erhöht werden, und die Verwendung von Lithium-Metall Anoden wird erleichtert, was die Energiedichten der Batterien erheblich erhöhen kann. 
Von den unterschiedlichen Materialansätzen zu festen Ionenleitern (Polymere, oxidische oder sulfidische Keramiken bzw. Gläser) setzt dieses Projekt auf Sulfid-basierte Ionenleiter, da diese eine hohe Ionenleitung aufweisen und kostengünstig prozessierbar sind.

 

Ziel ist die Entwicklung einer inhärent sicheren und umweltfreundlichen „all-solid-state“ Lithiumbatterie. Diese zeichnet sich durch eine sehr hohe Energiedichte jenseits der Grenzen der aktuellen Batteriegeneration aus und soll perspektivisch wirtschaftlich produzierbar sein. Dies soll durch den Einsatz von Sulfid-basierten festen Ionenleitern erreicht werden. Hierfür wird ein Druckprozess entwickelt, bei dem sowohl die Elektroden als auch die ionenleitende Separatorschicht gedruckt werden.

Ein herausragendes aktuelles Ergebnis ist die Herstellung von Batteriezellen, bei denen sowohl Kathode als auch Separator-Schicht in Druckprozessen gefertigt wurde. Eine herausragende Zyklenstabilität (> 1000 Zyklen) mit einer Kapazitätsretention von 80 % der initialen Kapazität von 140 mAh/gNCM mit vergleichsweise hohen Lade- und Entladeströmen (Laden mit 1C, Entladen mit C/2) konnte bisher demonstriert werden.