Anwendung

Metallisierte Polymerfolien als Stromkollektoren bieten gegenüber den bisher verwendeten Metallfolien interessante Angriffspunkte um sowohl die gravimetrische als auch die volumetrische Energiedichte zu erhöhen und gleichzeitig Sicherheitsaspekte der Batterie zu verbessern und knappe Ressourcen einzusparen.

• Dünne und leichte Stromkollektoren zur Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte
• Ersatz von Metallfolien durch metallisierte Polymerfolien

Entwicklungsparameter

• Foliendicke (Grundsubstrat) < 8 µm
• Metalldicke > 1 µm
• Gesamtdicke < 10 µm
  

Technologie

• Rolle-zu-Rolle Prozess für Folienbreiten > 400 mm und Bandlängen > 100 m
• Doppelseitenbeschichtung mit Al oder Cu mittels
  • Elektronenstrahlverdampfung
  • Kathodenzerstäubung (magnetron sputtering)

Vorteile

• Gewicht, Dicke
• Erhöhung der intrinsischen Sicherheit von Batteriezellen
  

Anwendung

Reine Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen potenziell eine drastische Steigerung der volumetrischen Energiedichte. Um eine hohe Zyklenstabilität der Zellen zu ermöglichen werden poröse, nodulare Strukturen benötigt.

• Aufwachsen des Siliziums in nodularen Strukturen zum Einbau von Freiräumen in die Schicht zur Kompensation der Volumenausdehnung

Entwicklungsparameter

• Siliziumflächenbeladung, z. B.: 1 … 4 mgSi/cm² pro Folienseite (entspricht einer geometrischen Schichtdicke von ca. 5 … 15 μm)
• Abscheiderate
• Porosität
  

Technologie

• Rolle-zu-Rolle Prozess für Folienbreiten > 400 mm
• Beschichtung mittels Magnetronsputtern
• Elektronenstrahlprozess in Vorbereitung
  

Vorteile

• Hohe Ladekapazität poröser Siliziumschichten
• Gute Zyklenstabilität
• RzR-Prozess
  

Anwendung

Poröse Schichten mit angepassten Eigenschaften werden bspw. in der Mikroelektronik für Sensoren, Aktoren und andere Funktionsschichten mit niedriger Dielektrizitätskonstante benötigt. In der Chemie werden poröse Schichten für Katalysatoren oder zur Filtration verwendet. Aufgrund der großen inneren Oberfläche poröser Materialien liegt der Fokus jedoch bei Anwendungen zur Energieumwandlung wie Superkondensatoren oder innovative Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Dafür ist u.a. Silizium ein vielversprechendes Material. Jedoch wird eine poröse Si-Matrix benötigt, um mechanische Spannungen während des Ladevorgangs auftretende Volumenausdehnung zu kompensieren.

Entwicklungsparameter

• Eingesetzte Materialien
• Porosität und Morphologie
• Technologietransfer für Rolle-zu-Rolle-Verfahren
  

Technologie

• Co-Verdampfung von Silizium und Zink
• Mischung der beiden Elemente in der Dampfphase und Abscheidung von Verbindungsschichten auf Metallsubstraten
• Anschließende Temperbehandlung im Vakuum zur Re-Verdampfung von Zink und Strukturbildung
  

Vorteile

• Hohe Beschichtungsrate (bis zu 100 nm/s demonstriert)
• Schaffung einer porösen Struktur im Silizium, die Platz für dessen Ausdehnung im Ladeprozess bietet und Kapazitätsverlust minimiert
• Prozess anpassbar und optimierbar auf jeweilige, konkrete Batterieanforderung
• Wiederverwendung des Zinks im Prozess perspektivisch möglich
• Initiale Ladekapazität der Schichten über 3.000 mAh/gSi
• Vergleichsweise gute Zyklenstabilität
  

Motivation

Üblicherweise werden Lithiumschichten in Form von dünnen Folien durch Walzprozesse gefertigt, die auch das Verwenden von Schmiermitteln nötig machen. Durch thermisches Aufdampfen im Vakuum können Lithiumschichten ohne verunreinigende Zusätze in einer Dicke von 1 – 20 Mikrometer hergestellt. Dadurch können sehr reine und vor allem dünne metallische Lithiumschichten in reproduzierbarer Weise erzeugt werden. 

Forschungsstand

• Herstellung reiner Lithium-Dünnschichten auf Metallsubstraten
• Optimierung der Schichtdicke und Schichtmorphologie
• Entwicklung geeigneter Passivierungsschichten
• Pre-lithiierung von Anoden

Technologie

• PVD von reinen metallischen Lithium-Schichten mittels thermischer Verdampfung bei Beschichtungsraten > 100 nm/s bzw. > 1 µm m/min
• Abscheidung von Li-Verbindungschichten durch Co-Verdampfung aus separaten Tiegeln zur Erzeugung von pre-lithiierten Schichten
• Abscheidung von Schutzschichten mittels PVD
  

Vorteile

• Hoher Freiheitsgrad für die Anpassung der optimalen Anodendicke
• Höchste Reinheitsgrade
• Anpassung der optimalen Schichtmorphologie in Schichtwachstumsrichtung möglich
• Große Flexibilität in der Schichtzusammensetzung
  

Anwendung

Die Verwendung von kleinskaligen Si-Partikeln als Anoden_material stellt eine alternative Möglichkeit dar, die auftretenden Spannungen beim Zyklieren zu minimieren. Eine Kohlenstoffbeschichtung auf der Partikeloberfläche unterstützt zudem die elektronische Leitfähigkeit, stabilisiert das Silizium und unterbindet den Verlust von Lithium und Elektrolyt durch eine fortgesetzte SEI Bildung. Das Fraunhofer FEP verfolgt den Ansatz, die Si-Partikeloberfläche im arcPECVD-Prozess mit Kohlenstoff zu mit hoher Abscheiderate beschichten.

Entwicklungsparameter

• Beschichtungsrate (≥ 35 nm/s auf Flachsubstraten bereits demonstriert)
• Pulverförderung im Vakuum eingerichtet
• Variation der Schichtdicke durch Manipulation von Einwirkdauer und Partikelverteilung möglich
  

Technologie

• Durch Einwirkung eines intensiven Hohlkathodenplasmas werden Precursoren (z. B. C₂H₂) in kompakte Kohlenstoffbeschichtungen umgesetzt
• Das Pulver wird mit einem speziellen Fördermechanismus durch die Einwirkzone des Plasmas geführt und anschließend wieder aufgefangen
  

Vorteile

• Allseitig Beschichtung der Partikel mit hohen Durchsätzen
• Hohe Freiheitsgrade hinsichtlich der Größenverteilung der Partikel
• Flexibilität des Schichtmaterials durch Nutzung verschiedener Precursoren
  

• Grenzflächen
• Festkörperelektrolytschichten
• Separatoren
• Abscheidung von Aktivmaterialien auf Metallfolien
• Post-Lithium-Technologien