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Hochschule Aalen will patentiertes Verfahren der Kompositgalvanoformung validieren

Am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen wird derzeit ein Konzept für eine erste kontinuierlich arbeitende Technikumsanlage erstellt, mit deren Hilfe ein neues Verfahren der Kompositgalvanoformung zur Herstellung verbesserter Batteriekathoden validieret werden soll.

Abbildung: Schematisches Modell einer kontinuierlich arbeitenden Kompositgalvanoformungsanlage mit Pumpsystem, Spüle und Trockner zur Herstellung von Batteriekathoden

Modell einer Kompositgalvanoformungsanlage.

Aufgrund der stetig wachsenden Anforderungen an die Energiespeicher, ist die Effizienzsteigerung von konventionellen und alternativen Akkumulatoren die essenzielle Zukunftsforschung. Die Optimierung von Lithium/Schwefel-Akkumulatoren ist seit 2012 wichtiger Bestandteil der Forschung am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen FINO der Hochschule Aalen. Das patentierte Verfahren der Kompositgalvanoformung[1] wird dabei auf eine kontinuierlich arbeitende Anlage übertragen.

Die sogenannte Kompositgalvanoformung beschreibt die Kombination des Dispersionsabscheidungs- und Galvanoformungsverfahrens in einem Prozessschritt. Dabei wird das Aktivmaterial Schwefel in funktionalisierter und dispergierter Form im Dispersionselektrolyten vorgelegt, aus dem es zunächst zusammen mit der metallischen Bindematrix Nickel temporär auf einem Substrat aus Stahl oder Titan mit kontrolliert geringer Schichthaftung abgeschieden wird. Dabei entsteht prozessbedingt aufgrund des sogenannten "Riding-Effekts"[2] zunächst eine nur wenige Mikrometer dicke partikelfreie Grundschicht, die die mechanische Integrität der Folie sicherstellt. Die Funktionalisierung der Partikel beeinflusst danach das strukturelle Wachstum der Schicht. Angestrebt wird eine für die Dispersionsabscheidung untypisch starke Strukturierung, welche für den späteren Einsatz als Batterieelektrodenfolie sehr wünschenswert ist. In der Dispersionsschicht ist das Aktivmaterial durch die Metallmatrix sowohl mechanisch als auch elektrisch angebunden, jedoch idealerweise nicht vollständig eingekapselt. Dadurch bleibt die elektrochemische Aktivität der Partikel in der späteren Batterieanwendung sichergestellt.

Da die Metallmatrix sowohl die mechanische als auch elektrische Kontaktierung der Aktivmaterialpartikel bietet, kann auf die sonst nach dem Stand der Technik erforderlichen Additive wie Binder und Leitzusatz (z.B. Kohlenstoff) verzichtet werden. Diese haben den Nachteil, dass sie nicht synergetisch wirken, d.h. der organische Binder hat eine geringe Leitfähigkeit, während die Leitadditive nicht binden. Durch die Verwendung eines ausschließlich metallischen Binders lassen sich optimale Eigenschaften durch eine gezielte Folienstrukturierung einstellen.

Höheren Energiedichte durch Einsparung elektrochemisch inaktiver Komponenten

Die Kompositgalvanoformung ermöglicht u.a. die Einsparung elektrochemisch inaktiver Komponenten, was zu einer potenziell höheren Energiedichte führt. Außerdem verbessert sich die elektrische Anbindung der Aktivmaterialpartikel, was die Zelleffizienz steigert und eine verbesserte Schnellladefähigkeit ermöglicht. Ist die gewünschte Zielschichtdicke erreicht, kann die gesamte Schicht in Form der späteren Batteriekathode einfach vom Substrat abgezogen werden (Abbildung 1.).[3]

Um das neue Verfahren für die industrielle Anwendung attraktiv zu gestalten, ist ein wichtiger Schritt, die bisher batchweise im Labor erzeugte Kompositgalvanoformungsfolie, in einem kontinuierlichen Prozess, möglichst kostengünstig, zu produzieren.

Der Prozess wird dann kontinuierlich, wenn das Substrat, auf dem abgeschieden wird, eine geschlossene Mantelfläche ergibt. Die mathematisch einfachste Mantelfläche, welche sich um eine Achse drehen kann, ist die eines Zylinders. Die Dauer einer Umdrehung des Zylinders ergibt beim Abscheiden die Beschichtungszeit der Folie. Hinter der abgezogenen Folie, auf der nun freien Substratfläche, beginnt die Schicht sich direkt wieder neu abzuscheiden. Der im Elektrolyt eingetauchte rotierende Substratzylinder produziert somit kontinuierlich eine kompositgalvanogeformte Endlosfolie.

Konzept für Validierung in Technikumsanlage

Um einen möglichst kostengünstigen Prozess zu erreichen, sind viele Parameter zu berücksichtigen. Ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit ist jedoch die letztendlich erreichte spezifische Kapazität des gesamten Li/S-Akkumulators in Abhängigkeit der Herstellungskosten. Für eine bezüglich der Energiedichte hoch optimierte Kathodenfolie ist die Grundschicht, welche durch den „Riding-Effekt“ verursacht ist, möglichst gering zu halten; angestrebt sind ca. 2-6 µm. Dadurch ist dieser Folienbereich dünner als bei der konventionellen Kathodenstromsammlerfolie, welche i.d.R. aus Aluminium besteht und eine Dicke von 10-15 µm aufweist. Außerdem wird ein Optimum aus Aktivmaterialflächenbeladung und späterer elektrochemischer Zugänglichkeit angestrebt.

Um eine Korrelation zwischen den Prozessparametern während der Herstellung und charakteristischen Batterieparametern sowie den Produktionskosten zu erzeugen, ist es notwendig, eine Anlage im Technikumsmaßstab zu entwickeln, zu bauen und die neue Technologie zu validieren. Am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen wird derzeit im Rahmen des VIP+-Projekts GoForE anhand von Laborversuchen und Prototyp-Aufbauten ein Konzept für eine erste kontinuierlich arbeitende Technikumsanlage erstellt (Abbildung 2), mit deren Hilfe das neue Verfahren der Kompositgalvanoformung zur Herstellung verbesserter Batteriekathoden validieret werden soll.

Kontakt für nähere Informationen

Hochschule Aalen
Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen FINO
Prof. Dr. Timo Sörgel
timo.soergel@hs-aalen.de

 

[1]      T. Sörgel, S. Meinhard, Ş. Sörgel, WO002015131977A1, 2015.

[2]      L. Stappers, J. Fransaer, J. Electrochem. Soc. 2007, 154, D598.

[3]      C. Erhardt, Ş. Sörgel, S. Meinhard, T. Sörgel, J. Power Sources 2015,