Termin vormerken: 26.08. 2024 – 14:15 Uhr ‚Aerosolbasierte Verfahren zur Herstellung von Batteriematerialien‘

Die Fakultät für Elektrotechnik und Kommunikation der Technischen Universität Brünn lädt zur 25. internationalen Konferenz Advanced Batteries, Accumulators and Fuel Cells ein.

Hauptinteressensgebiete der Konferenz sind die Erforschung und Entwicklung von Materialien, die für moderne elektrochemische Energiequellen bestimmt sind, neue Untersuchungen auf dem Gebiet der für herkömmliche Batterien entwickelten Materialien und ihrer Eigenschaften, ionische Flüssigkeiten und ihre Verwendung, unkonventionelle Energiequellen einschließlich photovoltaischer Systeme, Korrosion von Materialien in verschiedenen Umgebungen, großtechnische Anwendungen im Bereich des Energietransports und der Energiespeicherung sowie spezielle elektrochemische Technologien.

Seit der Einführung der Lithiumbatterie von Sony im Jahr 1990 hat die Entwicklung aktiver Materialien einen kontinuierlichen Prozess mit dem Ziel der Erhöhung der Energiedichte durchlaufen. Dies wird durch die Entwicklung neuer, nickelhaltiger und kobaltfreier Kathodenmaterialien, die Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien und die Entwicklung von Festkörperbatterien erreicht.

Die steigende Nachfrage nach Anwendungen in der Elektromobilität oder der stationären Energiespeicherung erfordert die Umsetzung innovativer, nachhaltiger und kontinuierlicher Herstellungsprozesse sowie Verfahren zur Beschichtung aktiver Materialien. Anhand ausgewählter Beispiele werden aerosolbasierte Verfahren auf Basis von Sprühtrocknung/Sprühkalzinierung und Sprühgranulation vorgestellt. Erste Ergebnisse zur elektrochemischen Charakterisierung werden vorgestellt.

Der Vortrag von Dr. Johannes Buchheim, Glatt Ingenieurtechnik, Weimar, Deutschland, trägt den Titel „Aerosolbasierte Verfahren zur Herstellung von Batteriematerialien“.

Materialien und Methoden

Herstellung von kathodenaktiven Materialien

Die Entwicklung neuer Kathodenmaterialien auf der Basis des Schichtoxids LiCoO₂ führte unter anderem zu Lithium-Nickel-Mangan-Oxiden NMC und Lithium-Nickel-Aluminium-Oxiden NCA, indem Kobalt durch andere Elemente ersetzt wurde. Neben diesen Materialien, die vor allem für die Elektromobilität eingesetzt werden, gibt es auch Oxide mit Olivinstruktur, z. B. Lithiumeisenphosphat LiFePO₄, und Materialien mit Spinellstruktur LiMn_2-xNi_xO₄. Zur Herstellung dieser aktiven Materialien gibt es eine Vielzahl von Verfahren, die teilweise mehrere Prozessschritte erfordern. Dazu gehören Fällungs- und Festkörperreaktionen, hydrothermale Prozesse und Sol-Gel-Verfahren. Durch den Einsatz von Aerosol-basierten Sprühtrocknungs– und Sprühkalzinierungsverfahren können die Prozessschritte reduziert und eine kontinuierliche Produktion realisiert werden.

Herstellung von anodisch aktiven Materialien

Graphit ist ein gängiges Anodenmaterial. Die theoretische Kapazität dieses Materials ist aufgrund der Bildung der Verbindung LiC₆ auf eine theoretische Kapazität von 372 mAh/g begrenzt. Das Streben nach höheren Energiedichten hat dazu geführt, dass man sich auf andere Elemente konzentriert. Silizium bietet aufgrund seiner guten Verfügbarkeit und einer wesentlich höheren theoretischen Kapazität von 3600 mAh/g eine Alternative. Eine Volumenänderung von 320 % während des Lade- und Entladezyklus führt zum Bruch von Partikeln, zum Verlust des Kontakts mit dem Stromableiter und zur kontinuierlichen Erosion der schützenden Grenzschicht zwischen dem Silizium und dem Elektrolyten. Die Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen bietet einen vielversprechenden Ansatz, die Volumenänderung zu kompensieren. Die Herstellung kann mit kontinuierlich geführten aerosolbasierten Verfahren auf der Grundlage von Sprühtrocknung und Sprühkalzinierung erfolgen.

Herstellung von Festelektrolyten

Eine weitere Methode zur Erhöhung der Energiedichte ist die Entwicklung von Festkörperbatterien, bei denen der flüssige Elektrolyt durch ein lithiumleitendes Material ersetzt wird, zum Beispiel Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid LLZO. Dies ermöglicht die Verwendung von metallischem Lithium als Anodenmaterial (theoretische Kapazität von 3860 mAh/g). Die Herausforderung liegt hier in der Synthese des Festelektrolyten. Die Reaktionszeit kann verkürzt werden, indem er mit aerosolbasierten Verfahren hergestellt wird.

Beschichtung von Kathodenmaterialien

Ein weiterer Vertreter der Festkörperelektrolyte ist Lithiumphosphorsulfid LPS. Das Material zeichnet sich durch eine hohe Ionenleitfähigkeit aus. Allerdings ist das Material chemisch weniger stabil gegenüber oxidischen Kathodenmaterialien, so dass eine Beschichtung der aktiven Materialien notwendig ist. Es werden Lithiumphosphat Li₃PO₄, Lithiumniobat LiNbO₃, Lithiumborat Li_xB_yO_z und Lithiumtitanoxid LTO diskutiert. Dabei können auch Verfahren auf Basis von Sprühtrocknung und Sprühkalzinierung eingesetzt werden, um eine kontinuierliche Verarbeitung zu realisieren.