Batterieschichten

Grundlagen

Aufgabe

Strukturdarstellung eines Al-Ionen leitenden Festkörperelektrolyten (NASICON-Typ)
© Fraunhofer IWS Dresden
Strukturdarstellung eines Al-Ionen leitenden Festkörperelektrolyten (NASICON-Typ)

Zukünftige Produkte im Bereich der mobilen elektronischen Geräte, die Notwendigkeit der Speicherung elektrischer Energie sowie die von der Automobilbranche eingeführten Elektrofahrzeuge sind auf die Entwicklung und Produktion von neuartigen Batteriesystemen angewiesen.

Dabei müssen diese verschiedensten technologischen und physikalischen Ansprüchen gerecht werden: Neben einer hohen Lebensdauer, gemessen an der Anzahl der durchlaufenen Entlade- und Ladezyklen, einem möglichst geringen Gewicht bei kleinen Ausmaßen und geringen Materialkosten, müssen zukünftige Systeme möglichst hohe Energiedichten und spezifische Kapazitäten bei maximaler Sicherheit im Praxiseinsatz aufweisen.

Eine innovative Lösung dieser Forderungen können Batteriezellen auf Basis eines Festkörperelektrolyten darstellen. Dabei ist die Verwendung von mehrfach geladenen Ionen (z.B. Al3+) für den Ladungsaustausch von besonderem Interesse. Ziel soll es sein, diese mittels etablierter PVD-Beschichtungsverfahren (MSD, PLD, IBSD) in Form eines innovativ-strukturierten Zellaufbaus innerhalb eines geregelten Produktionsablaufes herzustellen.

Lösung

Konventionelles Stapelaufbauprinzip einer Batteriezelle
© Fraunhofer IWS Dresden
Konventionelles Stapelaufbauprinzip einer Batteriezelle
Strukturierter Zellaufbau mit gesteigerter Ionenleitfähigkeit
© Fraunhofer IWS Dresden
Strukturierter Zellaufbau mit gesteigerter Ionenleitfähigkeit

Das Fraunhofer IWS hat innerhalb eines ausgebauten Forschungsnetzwerkes ein Festkörperbatteriesystem auf Aluminiumbasis (Anodenseite) entwickelt. Die erzeugten Querschnitte einer einzelnen Zelle besitzen einen Durchmesser kleiner 10 µm.

Dabei verfolgt das Fraunhofer IWS zwei unterschiedliche Aufbauprinzipien einer solchen Batteriezelle: (1) den konventionellen Stapelaufbau bei der die einzelnen Zellkomponenten (Anode/Elektrolyt/Kathode) übereinander liegen und (2) ein bereits zum Patent angemeldeter, strukturierter Zellaufbau, bei welchem eine gesteigerte Ionenleitfähigkeit, auch bei Raumtemperatur, durch gezielt eingebrachte Phasengrenzen ermöglicht wird. In diesem sollen die Kompetenzen des Fraunhofer IWS im Bereich der Laserstrukturierung genutzt werden, um geeignete Grabenstrukturen innerhalb eines (Multilayer-) Festkörperelektrolyten zu erzeugen.

Diese Strukturen bieten anschließend die Grundlage für die darauffolgenden Beschichtungsschritte zur Integration von Anoden- und Kathodenmaterial. Im Gegensatz zu üblichen zweidimensionalen Dünnschichtbatterien erlauben dreidimensionale Dünnschichtbatterien eine vergleichsweise hohe Kapazität und Leistung bezogen auf ihre Grundfläche.

Ergebnisse

REM Aufnahme: Laserstrukturierter Festkörperelektrolyt
© Fraunhofer IWS Dresden
REM Aufnahme: Laserstrukturierter Festkörperelektrolyt

Erste Beschichtungsserien mit unterschiedlichen Al3+-Ionen-leitenden, aber auch Li+-leitenden Festkörperelektrolyten sind bereits erfolgreich mittels PLD abgeschieden wurden. Die dabei verwendeten Materialien umfassen Materialien aus der Gruppe der NASICON-Strukturen, Spinelle, aber auch amorph leitende Elektrolyten wie LIPON. Es besteht die Möglichkeit, viele der bei der PLD verwendeten Targets am Fraunhofer IWS über die Pulverroute selbstständig herzustellen und für die anschließende Beschichtung zu verpressen.

Darüber hinaus konnten gesammelte Erfahrungen bei der Beschichtung von Festkörperelektrolyten auf die Abscheidung von Separatormaterialien übertragen werden. Um diese komplexen stöchiometrischen Verbindungen zu erzeugen, kann zusätzlich unter Einfluss von Reaktivgas beschichtet werden.

Neben dem konventionellen Tempern der zunächst amorph-abgeschiedenen PLD-Schichten werden ebenfalls alternative Wärmebehandlungsmethoden wie Flash Lamp Annealing (FLA) mit in den Herstellungsprozess eingebunden. Diese neue Technologie ermöglicht eine lokale und schnelle Einstellung des Materialgefüges durch Rekristallisation und kann zudem vollständig in den Vakuum-Beschichtungsprozess integriert werden.