Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Li-Ionen-Batterien auf der Basis eines ganzheitlichen Bindemittelkonzepts für wässrige Elektroden-Slurries

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Willenbacher
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445931042

Wir wollen ein Bindemittel-Konzept für Li-Ionen-Batterie (LiB) Slurries entwickeln, das Elektrodenschichten mit guten elektrochemischen Eigenschaften, hoher Zyklenfestigkeit und langer Batterielebensdauer liefert. Auf Basis technisch verarbeitbarer Slurries soll das Potential des Aktivmaterials möglichst vollständig ausgeschöpft werden. Das Konzept basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz, der alle Aspekte der Bindemittelfunktionalität berücksichtigt. Wir ermitteln Binder-Spezifikationen für die Einstellung der Slurry-Rheologie, die eine Herstellung homogener, defektfreier Elektrodenschichten in industriellen Beschichtungsprozessen ermöglichen. Darüber hinaus wird untersucht, wie eine starke Kohäsion innerhalb der trockenen Elektrodenschicht sowie eine starke Haftung zum Stromabnehmer erreicht werden kann, um mechanische Ausfälle bei der zyklischen Lithium-Ionen-Interkalation zu vermeiden. Weiterhin untersuchen wir die Rolle des Bindemittels als Dispergiermittel, um die Mikrostruktur der Elektrodenschicht, d.h. die räumliche Verteilung und Orientierung von Aktivmaterial und Leitfähigkeitsadditiv, im Hinblick auf hohe elektrische Leitfähigkeit und LiIonen-Mobilität gezielt zu steuern. Dies wird sich stark auf die Zell-Spezifikationen auswirken, obwohl das Bindemittel nicht am elektrochemischen Prozess beteiligt ist. Mit Blick auf die stark wachsende Nachfrage nach LiB konzentrieren wir uns auf wässrige Slurries, die etablierte Aktivmaterialien und eine Kombination aus Carboxymethylcellulose (CMC) sowie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) als Bindemittel enthalten. Wir variieren Molekulargewicht und Substitutionsgrad der CMC und gehen davon aus, dass eine geeignete Mischung verschiedener CMC-Typen erforderlich ist, um die vielfältigen, teils widersprüchlichen Anforderungen bei minimalem Binder-Verbrauch zu erfüllen. Slurries mit entsprechender Zusammensetzung werden zur Herstellung von Zellen für elektrochemische Tests verwendet, die erlauben, das Bindemittelkonzept zu validieren und weiter zu verbessern. Aus maßgeschneiderten Slurries werden gestuften Elektroden hergestellt, die aus einer dünnen Schicht mit SBR direkt auf dem Stromabnehmer und einer SBR-freien Deckschicht mit CMC-gesteuerter Mikrostruktur bestehen, und so hohe Adhäsion mit hoher Kohäsion und hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften kombinieren. Bei diesem Ansatz sollen auch die Vorteile eines von uns entwickelten kapillarkraftgetriebenen Selbstordnungskonzepts zur Kontrolle der Schichtporosität genutzt werden, um die Zell-Spezifikationen weiter zu verbessern. Unser grundlegender Ansatz, der sich auf ein maßgeschneidertes Bindemittelsystem zur Verbesserung der mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften von Batteriezellen konzentriert, wird hier mit Li-NMC und Graphit als Aktivmaterialien demonstriert. Das Konzept kann jedoch auf Systeme mit anderen Aktivmaterialien oder Bindemitteln übertragen werden und bietet so einen generischen Ansatz für die Batterie-Slurry Formulierung

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen