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Forschungsprojekt PolySafe

Lithium-Ionen-Batterien sicherer machen

14. September 2021, 14:37 Uhr | Kathrin Veigel

Aluminiumbeschichtete Polymerfolie zur Anwendung als Stromkollektor in Lithium-Ionen-Batterien.

Ziel des Projekts ist, die spezifische Energie und Sicherheit von Li-Ion-Batterien durch den Einsatz neuartiger Stromkollektoren zu steigern. Im Fokus stehen dabei Metall-Polymer-Komposit-Stromkollektoren, die das thermische Durchgehen von Batteriezellen erschweren und so die Brandgefahr verringern.

Neben dem Gewichtsvorteil gegenüber derzeit eingesetzten reinen Metall-Stromkollektoren erlauben die Metall-Polymer-Stromkollektoren eine Unterbrechung des Stromkreises bei Erreichen einer kritischen Temperatur. Wird diese Temperatur erreicht, schmilzt der Stromsammler, so dass der Stromfluss und damit der Kurzschluss unterbrochen werden. Stromkollektoren sind gut leitende, dünne Metallfolien. Auf ihnen wird das Aktivmaterial aufgebracht, das für die Energiespeicherung in Batterien verantwortlich ist.

Die Machbarkeit der Produktion von Metall-Polymer-Stromkollektoren wurde bereits gemeinsam von der Von Ardenne und dem Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) im Rahmen des sächsischen Forschungsvorhabens »PolyCollect« demonstriert. Durch das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung konnten bis zu 1 Mikrometer dicke Aluminiumschichten auf Polymersubstraten mit Dicken bis 8 Mikrometer erzeugt werden. Allerdings existieren bisher zu wenige Daten aus Prototypzellen mit diesem Material, weshalb die anwendungsnahe Evaluation dieser Technologie noch aussteht.

Das soll nun im Rahmen von »PolySafe« geschehen. Ziel des Forschungsprojektes ist, eine an die Metall-Polymer-Stromkollektoren angepasste Prozesskette zur Herstellung von Batteriezellen in verschiedenen Formaten (Rundzelle, Pouchzelle) zu qualifizieren und den Sicherheitsvorteil in unterschiedlichen Zelldesigns- und -chemien anwendungsnah zu untersuchen. An dem mit knapp vier Millionen Euro geförderten Projekt sind neben der Battery LabFactory Braunschweig der TU Braunschweig Partner aus Forschung und Industrie beteiligt, darunter Von Ardenne, Brückner Maschinenbau, das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) und Varta Microbattery.

Neben der Integration der hergestellten Metall-Polymer-Stromkollektoren in Batteriezellen wollen die Projektpartner Aluminium- bzw. Kupfer-Polymer-Stromkollektoren dediziert an die Anforderungen des jeweiligen Zelldesigns anpassen und optimieren. Die Herausforderung ist, die Polymersubstrate und den Beschichtungsprozess so auszulegen, dass eine zu aktuellen Metallfolien vergleichbare Dicke sowie eine optimale elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht gewährleistet ist. Zugleich sollen die Produktionskosten der Stromkollektoren auf ein konkurrenzfähiges Niveau gebracht werden.

Die Metall-Polymer-Stromkollektoren werden hinsichtlich ihrer Eignung zur Integration in die Produktionsprozesse von Lithium-Ionen-Batterien untersucht und – wenn notwendig – die Produktionsverfahren gezielt angepasst.