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Neuartiges Kathodenmaterial für Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien

Kurzfassung

Erfinder der Hochschule Aalen – Technik und Wirtschaft haben erstmals ein Kathodenmaterial entwickelt, bei dem die bauliche und stoffliche Trennung von Stromsammler und Kathodenmaterial entfällt. Darüber hinaus kann in dem einstufigen Bandgalvanikverfahren auf die Beimischung von Bindemittel und elektrisch leitfähigen Füllpartikeln verzichtet werden, was einen quantitativ deutlich höheren Anteil an Aktivmaterial in der Kathode ermöglicht. Li-Ionen- oder Li-Schwefel-Batterie können so effizienter betrieben werden

Hintergrund

Die Nachfrage nach leistungsstarken Batterien ist groß – in unterschiedlichsten Bereichen der Wirtschaft. Sie werden beispielsweise für mobile IT-Anwendungen, Luft- und Raumfahrt, im Bereich Elektromobilität und für Batterie-Speicherkraftwerke benötigt.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Kathodenmaterials erhöht nicht nur Kapazität, Energiespeicherdichte, Energieeffizienz und Zyklenstabilität, sondern verringert auch die Herstellungskosten sowohl von Lithium-Schwefel- als auch von Lithium-Ionen-Zellen.

Problemstellung

Wenn das elektrochemisch aktive Material einer Zelle eine zu geringe elektrische Eigenleitfähigkeit aufweist, besteht das Kathodenmaterial üblicherweise aus einem Mehrkomponenten-Gemisch. Beispielsweise werden Kohlenstoffpartikel zur Erhöhung der Leitfähigkeit und Bindemittel zur Stabilisierung des Kathodenverbundes beigefügt. Das Gemisch wird dann auf den Stromsammler, dessen Aufgabe die Ableitung der Elektronen zum äußeren Stromkreis ist, aufgebracht.
Der Zusatz von Bindemitteln und elektrisch leitfähigen Füllpartikeln ist nicht nur teuer, sondern begrenzt auch die Energiedichte der Zelle, da der Volumenanteil des Bindemittels und der Füllpartikel zu Lasten des Aktivmaterialanteils geht.
Ein weiteres Problem ist der relativ hohe elektrische Widerstand zwischen den Grenzflächen der leitenden Füllpartikel im Kathodenverbund. Der Kathodenverbund hat eine geringe Gesamtleitfähigkeit und eine geringe mechanische Stabilität, die Integrität des Kathodenverbundes sinkt mit zunehmender Zyklenzahl, die Kapazität wie auch die Energieeffizienz der Zelle nehmen ab.

Lösung

An der Hochschule Aalen - Technik und Wirtschaft wurde ein Verbundmaterial und Herstellungsverfahren entwickelt, durch das die bauliche und stoffliche Trennung von Stromsammler und Kathodenmaterial entfällt.
Das Kathodenmaterial kann in einem einstufigen Herstellungsverfahren in Bandgalvanikanlagen erzeugt und geformt werden.
Bei der Herstellung wird elektrochemisch aktives Material (z. B. Schwefel oder Lithiumeisenphosphat) in eine elektrisch leitfähige Matrix (z. B. Kupfer) homogen eingebunden. Die Matrix wird sowohl für die Ableitung der Elektronen zum äußeren Stromkreis genutzt (Stromsammlerfunktion) als auch für die direkte elektrische und mechanische Kontaktierung des Aktivmaterials (Ersatz leitfähiger und bindender Additive).
Der Anteil des Aktivmaterials in der Kathode kann so erhöht werden, da die Beimischung von Bindemittel und elektrisch leitfähigen Füllpartikeln überflüssig ist.

Links: schematischer Aufbau, rechts: REM-Aufnahme des neuartigen Kathodenmaterials.
Links: schematischer Aufbau, rechts: REM-Aufnahme des neuartigen Kathodenmaterials.

Vorteile

  • Verbesserte Batterieeigenschaften: Kapazität, Energiedichte, Effizienz, Zyklenstabilität
  • Einstufiger Herstellungsprozess
  • Kostensenkung durch Verzicht auf Bindemittel und elektrisch leitfähige Füllpartikel
  • Einsatz in Li-Ionen-Zellen und Li-Schwefel-Zellen
  • Nur geringe Modifizierung gängiger Bandgalvanik- bzw. Foliengalvanoformungsanlagen nötig

Anwendungsbereiche

Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien

Exposé
Kontakt
Dr. Frank Schlotter
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
schlotter(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Konzept / TRL2
Patentsituation
DE 502015007707.7 erteilt
EP 3114721 B1 erteilt,
FR, GB validiert
DE 102014003128 A1 anhängig
Referenznummer
13/107TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Kooperation und Lizenznahme.