Auch die Kollegen an verschiedenen Fraunhofer Instituten wie dem FEP, IWS sowie ISE und IST leisten im Gemeinschaftsprojekt Nextbatt einen wertvollen Beitrag. „Für Lithium-Ionen-Batterien sind Steigerungen der Energiedichte von bis zu 65 Prozent möglich.“, prognostiziert Stefan Saager, Projektleiter am Fraunhofer FEP. Dies könne durch den Ersatz herkömmlicher Graphitanoden durch Anoden auf Basis von Silizium und zukünftig auch metallischem Lithium erreicht werden. „Mit den ressourceneffizienten Prozesstechnologien am Fraunhofer FEP gelang es uns bereits, reine metallische Lithiumschichten und auch Lithium-Silizium-Verbindungsschichten in produktionsrelevanten Maßstäben herzustellen“, erläutert Saager.
Lithiumschichten durch thermisches Aufdampfe
Üblicherweise werden Lithiumschichten in Form von dünnen Folien durch Walzprozesse gefertigt, die auch das Verwenden von Schmiermitteln nötig machen. Am Fraunhofer FEP jedoch werden die Lithiumschichten durch thermisches Aufdampfen im Vakuum ohne verunreinigende Zusätze in einer Dicke von einem bis 20 Mikrometer hergestellt. Dadurch könnten reine und vor allem dünne metallische Lithiumschichten in reproduzierbarer Weise erzeugt werden.
Bei diesem Prozess wird Lithiumgranulat ins Vakuum überführt, in einen Tiegel gefüllt und anschließend auf Temperaturen von 500 – 700 Grad Celsius erwärmt. Das Lithium wird aufgeschmolzen und schließlich verdampft. Ähnlich wie sich Wasser an Deckeln von Kochtöpfen sammelt, wird der sich ausbreitende Lithiumdampf auf einem Substrat abgeschieden. Dieses Substrat wird dazu in kontrollierter Weise über die Lithiumdampfquelle bewegt, sodass darauf eine Lithiumschicht mit vorgegebener Dicke kondensiert.
Vielversprechende Kombinationen realisierbar
Ein Vorteil der Technologie ist demnach, dass mit dem Aufdampfverfahren auch Verbindungsschichten in Kombination mit anderen Materialien, wie Silizium, erzeugt werden können. Dazu wird eine weitere Dampfquelle mit einem anderen Ausgangsstoff daneben installiert. So seien vielversprechende Materialkombinationen realisierbar, die auf andere Weise nicht zu erzeugen wären, beschreibt Saager. Zudem könne man mit diesem Verfahren hohe Beschichtungsraten erzielen – das sei ein wichtiges Kriterium, um die Technologie in eine Massenproduktion zu überführen und damit hin zu einer Kostensenkung.
Die Fraunhofer-Institute stehen bereits mit verschiedenen Partnern aus Forschung und Industrie in Kontakt. Die Wissenschaftler schätzen, dass bei einer Intensivierung der Aktivitäten die Beschichtungstechnologie innerhalb der nächsten fünf Jahre Einzug in die Produktion von Batterien der nächsten Generation halten könnte. Das Projekt Nextbatt ermöglicht hierfür einen entscheidenden Schritt als Wegbereiter. (nhp)
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