Aerosolbasierte Verfahren zur Herstellung von Batteriematerialien

Worum geht es?

Mit der Einführung der Lithiumbatterie von Sony 1990 hat die Entwicklung von Aktivmaterialien einen steten Prozess mit dem Ziel der Erhöhung der Energiedichte durchschritten. Die Realisierung erfolgt durch die Entwicklung neuartiger, nickelreicher und cobaltfreier Kathodenmaterialien, die Herstellung von Silizium-Kohlenstoffverbundmaterialien sowie der Entwicklung von Feststoffbatterien.

Die steigende Nachfrage für Anwendungen innerhalb der Elektromobilität oder stationären Energiespeicherung bedingt die Implementierung von neuartigen, nachhaltigen und kontinuierlichen Herstellungsprozesse sowie Verfahren zur Beschichtung von Aktivmaterialien. Anhand von ausgewählten Beispielen werden Aerosol-basierende Methoden auf Basis von Sprühtrocknung / Sprühkalzinierung sowie Sprühgranulation vorgestellt. Erste Resultate zur elektrochemischen Charakterisierung werden aufgezeigt.

Materialien und Methoden

Herstellung von Kathodenmaterialien

Die Entwicklung von neuen Kathodenmaterialen ausgehend vom Schichtoxid LiCoO₂ führten durch die Substitution des Cobalts durch weitere Elemente u.a. zu Lithium-Nickel-Mangan-Oxiden NMC und Lithium-Nickel-Aluminium-Oxiden NCA. Neben diesen Materialien, welche überwiegend für die Elektromobilität Anwendung finden, existieren weiterhin Oxide der Olivinstruktur, z.B. Lithium-Eisenphosphat LiFePO₄, und Materialien der Spinellstruktur LiMn_2‑xNi_xO₄. Die Herstellung dieser Aktivmaterialien umfasst eine Vielzahl an Methoden, wobei teilweise mehrere Prozessschritte notwendig sind. Hierunter zählen unter anderem Fällungs- und Festkörperreaktionen, Hydrothermalverfahren sowie Sol-Gel-Prozesse. Durch Anwenden von Aerosol-basierenden Verfahren der Sprühtrocknung und Sprühkalzinierung können die Anzahl der Prozessschritte reduziert und eine kontinuierliche Produktion realisiert werden.

Herstellung von Anodenmaterialien

Graphit stellt ein übliches Anodenmaterial dar. Die theoretische Kapazität dieses Materials ist durch die Bildung der Verbindung LiC₆ begrenzt auf 372 mAh/g. Der Drang zu höheren Energiedichten lenkt den Fokus auf andere Elemente. Silizium bietet hierbei aufgrund seiner guten Verfügbarkeit und einer wesentlich hohen theoretischen Kapazität von 3600 mAh/g eine alternative Lösung. Eine Volumenänderung von 320 % während des Lade- und Entladezyklus führt zum Bruch der Partikel, zu Kontaktverlust zum Stromableiter und zu einem fortlaufenden Abtrag der schützenden Grenzschicht zwischen Silizium und Elektrolyt. Die Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien bietet hierbei einen vielversprechendern Ansatz, die Volumenänderung zu kompensieren. Die Herstellung kann durch kontinuierlich geführte Aerosol-basierende Prozesse auf Basis von Sprühtrocknung und Sprühgranulation erfolgen.

Herstellung von Festelektrolyten

Eine weitere Methode zur Erhöhung der Energiedichte ist die Entwicklung von Festkörperbatterien, bei denen der flüssige Elektrolyt durch ein Lithium leitendes Material, zum Beispiel Lithium-Lanthan-Zirkonoxid LLZO, ersetzt wird. Hierdurch kann metallisches Lithium als Anodenmaterial (theoretische Kapazität von 3860 mAh/g) verwendet werden. Die Herausforderung besteht hierbei in der Synthese des Festelektrolyten. Durch die Herstellung auf Basis von Aerosol-basierenden Verfahren kann die Reaktionszeit verkürzt werden.

Beschichtung von Kathodenmaterialien

Ein weiterer Vertreter von Festkörperelektrolyten ist Lithium-Phosphorsulfid LPS. Das Material ist charakterisiert von einer hohen Ionenleitfähigkeit. Jedoch ist das Material chemisch gering stabil gegenüber oxidischen Kathodenmaterialien, so dass eine Beschichtung der Aktivmaterialien notwendig wird. Diskutiert werden u.a. Lithiumphosphat Li₃PO₄, Lithiumniobat LiNbO₃, Lithiumborate Li_xB_yO_z und Lithium-Titanoxide LTO. Auch hierfür können Verfahren auf Basis von Sprühtrocknung und Sprühkalzinierung angewendet werden, um die kontinuierliche Prozessierung zu realisieren.