ProSiSt

Prozesstechnologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden in Hochenergie-Lithium-Batterien

Teilprojekt 1

Grundlagen zur Prozessentwicklung und Herstellung sowie Skalierung von hochkapazitiven Siliciumanoden

Laufzeit: 01.10.2017 bis 30.09.2020

Fördersumme: 145.327,00 €

Projektvolumen: 484.423,33 €
 

ausführende Stelle:

Von Ardenne GmbH
Am Hahnweg  8
01328 Dresden

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Von Ardenne GmbH

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0130A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Entwicklung eines innovativen Trockenabscheideverfahrens zur wirtschaftlichen Erzeugung von Siliciumanoden
  • Abscheidung von partikulären Si-Systemen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Schichtdicken
  • Entwicklung eines innovativen Trockenabscheideverfahrens zur Herstellung funktionalisierter Siliciumpartikel
  • Etablierung eines neuartigen Aufbaus zu Messung von Grenzflächenwiderständen bzw. Leitfähigkeiten von Pulvern sowie Dünn- und Aktivmaterialschichten


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt. In Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen reine Silicium-Anoden (durch Substitution von herkömmlichen Graphit-Anoden) potenziell eine drastische Steigerung der volumetrischen Energiedichte von 676 Wh/L auf etwa 1.000 Wh/L, also um ca. 40 Prozent.

Ziel dieses Vorhabens ProSiSt ist es, die Technologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mit deutlich gesteigerter volumetrischer Energiedichte zu entwickeln. Eine große Herausforderung ist dabei, die Erzeugung idealer Schichtstrukturen und -gefüge, welche die drastischen Volumenänderungen des Siliciums bei Lade- und Entladevorgängen über mehrere hundert Zyklen effektiv kompensieren können. Im Rahmen des Teilvorhabens zu strukturierten Siliciumschichten möchte Von Ardenne seine technisch-technologischen innovativen Ansätze und die damit verbundenen Chancen weiter untersetzen und zusammen mit den Konsortialpartnern nach Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit für Batterieanwendungen evaluieren. Ziel ist es, die vielversprechende und eigens entwickelte vakuumbasierte Trockenabscheidungsmethodik „Fast Particle Deposition – FPD“ nach ihren grundlegenden Charakteristiken zu erforschen und Lösungsansätze für eine industrielle Applizierung von Silizium-Pulvermaterialien zu entwickeln.

Darüber hinaus wird als weiterer Schwerpunkt eine konkrete FPD-Schichtentwicklung zur Abscheidung von porösen und schwammartigen Silicium-Schichten erfolgen. Abschließend werden bei positiven Ergebnissen zur FPD-Methodik alle Erkenntnisse und Erfahrungen genutzt, um eine Prozessskalierung konzeptseitig vorzubereiten, damit in naher Zukunft eine Technologieetablierung schnellstmöglich angegangen werden kann.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Zur Etablierung einer innovativen Technologie zur Abscheidung strukturierter Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mittels PVD (Physical Vapor Deposition) gliedert sich das Teilvorhaben in vier Arbeitsschwerpunkte:
• Analyse der Prozessgrundlagen
• Adaption der Anlagenkonzeption
• Entwicklung und Charakterisierung von Silicium-Schichten als Anode
• Vorbereitung der Prozessskalierung

Die Arbeitsschwerpunkt des Teilprojekts bauen aufeinander auf, sodass eine Entwicklung des Prozesses von den Grundlagen bis zum Pilotmaßstab ermöglicht wird.

Im ersten Arbeitsschwerpunkt erfolgt die Anforderungsanalyse der experimentellen Gegebenheiten zur Durchführung von Experimenten zur FPD sowie Integration der notwendigen konstruktiven Anpassungen in die Anlage. Daran anschließend werden die grundlegenden Prozesseinflüsse durch gezielte Prozessvariation identifiziert. Auf Grundlage der Untersuchungen werden Pulver-Materialien und Materialkombinationen als generische Vorstufe zur Abscheidung bzw. Herstellung von Silicium Batterieelektroden identifiziert und ein technisch-technologisches Prozessverständnis aufgebaut.

Im zweiten Arbeitsschwerpunkt wird auf Basis dieser Erkenntnisse die Anlagekonzeption zielgerichtet adaptiert, um eine effizientere Prozessführung zu ermöglichen.

Aufbauend erfolgt im dritten Arbeitsschwerpunkt die Applizierung der Silicium-Partikel auf Stromkollektorfolien – verbunden mit der Silicium-Schichtentwicklung zur Erzeugung einer hochkapazitiven Silicium-Anoden mit hoher Zyklenstabilität. Dazu werden geeignete Materialien (Partikelgröße, -größenverteilung und -form), mit Schwerpunkt Silicium identifiziert und deren Verwendbarkeit im Prozess und hinsichtlich Silicium-Schichtbildung bewertet. Die elektrochemische Charakterisierung der erzeugten Silicium-Anoden erfolgt bei Projektpartnern des Verbundvorhabens.

Im vierten Arbeitsschwerpunkt werden Konzepte für Skalierungslösungen des FPD-Verfahrens erarbeitet. Neben einer Risikobewertung der technischen Umsetzbarkeit werden Beschichtungsfenster für Laboranlagen und Einflüsse auf die Langzeitstabilität des Prozesses erarbeitet.

Am Ende des Projektes soll mit dem „Fast Particle Deposition – FPD“ ein innovatives, trockenes Fertigungsverfahren für hochkapazitive Silicium-Anoden prozesstechnisch etabliert und erste Konzepte zu dessen Skalierung erarbeitet sein.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Deutschland hat aktuell und zukünftig einen stark wachsenden Bedarf an elektrischen Energiespeichern, sowohl bei Anwendungen der Elektromobilität als auch bei stationären Speichertechnologien (aufgrund der steigenden Nutzung von regenerativen Energien). Diese sind ein essenzieller Wachstumstreiber für das 21. Jahrhundert. Mit der im Projekt adressierten Zielstellung für die Batterieparameter werden die gesellschaftlichen Zielstellungen der Elektromobilität und der Energiewende unterstützt.

Die Inhalte des Teilprojekts sind äußerst innovativ und vielversprechend jedoch auch noch sehr grundlagenorientiert angelegt. Da es sich jedoch um die Etablierung eines neuartigen Abscheideverfahrens handelt, engagiert sich Von Ardenne hier bereits frühzeitig, um die Chancen des Verfahrens zu bewerten und Weichenstellungen beeinflussen zu können. Im Erfolgsfall können erste Kunden mit Versuchseinrichtungen zur wirtschaftlichen Trockenabscheidung von Elektroden versorgt werden. Weitere Anwendungen, in denen poröse Schichten benötigt werden, sind denkbar.

Aufgrund der Zusammensetzung des Konsortiums mit breiter Abdeckung der Wertschöpfungskette inklusive Endanwender und der direkten Austauschmöglichkeit mit kompetenten Wissenschaftspartnern bietet sich die Chance, die Entwicklungsarbeiten zielgerichtet und produktorientiert zu entwickeln. Die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten werden bei erfolgreicher Projektdurchführung aufgrund der progressiven Entwicklung des Batteriemarktes langfristig als sehr hoch eingestuft.

Die innerhalb des Projektes zu entwickelnden angepassten Abscheideverfahren sind innerhalb dieses Marktumfeldes noch nicht etabliert. Zwingende Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens in der Industrie ist deshalb der im Projekt verankerte und äußerst umfangreiche Funktions-Nachweis auf Basis einer adäquaten technischen Lösung. Damit werden wichtige Voraussetzungen geschaffen, um Anwender von der Technologie und Wirtschaftlichkeit überzeugen zu können.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.10.2017 bis 30.09.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.546.224,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Grundlagen zur Prozessentwicklung und Herstellung sowie Skalierung von hochkapazitiven Siliciumanoden

Förderkennzeichen: 03XP0130A

Von Ardenne GmbH
01328 Dresden

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0130B

Conti Temic microelectronic GmbH - Berlin
13599 Berlin

Teilprojekt 3:

Förderkennzeichen: 03XP0130C

Gebr. Schmid GmbH
72250 Freudenstadt

Teilprojekt 4: Grundlagen der Dünnschicht- und Ätztechnik und der Zellkonzepte

Förderkennzeichen: 03XP0130D

Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik
01277 Dresden

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt. In Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen reine Silicium-Anoden (durch Substitution von herkömmlichen Graphit-Anoden) potenziell eine drastische Steigerung der volumetrischen Energiedichte von 676 Wh/L auf etwa 1.000 Wh/L, also um ca. 40 Prozent.

Ziel dieses Vorhabens ist es, die Technologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mit deutlich gesteigerter volumetrischer Energiedichte zu entwickeln. Eine große Herausforderung ist dabei die Erzeugung idealer Schichtstrukturen und -gefüge, welche die drastischen Volumenänderungen des Siliciums bei Lade- und Entladevorgängen über mehrere hundert Zyklen effektiv kompensieren können.

Gleichzeitig wird die Wirtschaftlichkeit des Konzeptes durch die Entwicklung von produktiven und skalierbaren Hochrateprozessen adressiert. Weiteres Ziel ist die Demonstration von Lithium-Ionen-Prototypzellen auf Basis des neuen Anodenkonzeptes mit Rekordenergiedichten von bis zu 1.000 Wh/L für 300 Zyklen. Die Zielvorgabe einer hohen volumetrischen Energiedichte bei gleichzeitig guter Zyklenstabilität adressiert direkt Automobilanwendungen.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Arbeiten des Verbundprojektes gliedern sich in drei Bereiche, die jeweils von einem Industrie- und einem institutionellem Partner bearbeitet werden:
• Siliciumabscheidung: Von Ardenne GmbH, Fraunhofer FEP
• Anodennachbehandlung: Gebr. Schmid GmbH, Fraunhofer IWS
• Zellbau, Evaluierung: Continental AG, Fraunhofer IWS

Die einzelnen Arbeitspakete sind inhaltlich so aufgestellt, dass die gesamte Prozesskette von Elektrodenfertigung über Anodennachbehandlung bis zum Zellbau bzw. deren Evaluierung von Projektbeginn an mit bestehenden Prozessen realisiert werden kann. Dadurch ist eine schnelle Analyse und zielgerichtete Anpassung der Zelltechnologie mit hoher volumetrischer Energiedichte mit einer hochkapazitiven Siliciumanode gegeben. Simultan erfolgt die Entwicklung hochproduktiver Prozesse für die wirtschaftliche Herstellung der Siliciumanoden, die durch die zuvor erarbeiteten Erkenntnisse in kurzer Zeit in die Zelltechnologie integriert werden können.

Das erste Arbeitspaket beinhaltet die Abscheidung einer Siliciumanode mittels Vakuum-Dünnschichtverfahren auf dem Stromkollektor. Dabei werden mit dem etablierten Verfahren Magnetron-Sputtern bereits als vorteilhaft hinsichtlich einer Anwendung als Anode gegenüber Graphit bewertete Silicium-Schichten mit einem kolumnaren Schichtgefüge erzeugt. Parallel dazu wird ein neuartiges, hochproduktives Beschichtungsverfahren für Silicium-Schichten auf Basis einer Partikelabscheidung mit einem optimierten Schichtgefüge entwickelt.

Die Tolerierung von Volumenänderungen und die Eliminierung von Schichtspannungen in der Anode soll durch Strukturierungsprozesse auf Basis von Laser- und Ätzverfahren erreicht werden, die der Schichtabscheidung nachgelagert sind. Der Fokus liegt auf effizienten Prozessen zur Herstellung von Anoden mit >3 mAh/cm2, welche in Durchlaufprozessen mit einer Bandgeschwindigkeit >1 m/min auf 200 mm Breite umgesetzt werden können.

Die Machbarkeit der Zelltechnologie wird in gestapelten Prototypzellen demonstriert. Ziel sind Zellen mit einer volumetrischen Energiedichte von 1.000 Wh/L bei 3C über 300 Zyklen. Bei der Umsetzung wird Wert auf die Skalierbarkeit der Methoden und Betrachtungen zu Kostenabschätzungen gelegt, um eine mittelfristige industrielle Überführung der Technologien zu ermöglichen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Deutschland hat aktuell und zukünftig einen stark wachsenden Bedarf an elektrischen Energiespeichern – sowohl bei Anwendungen der Elektromobilität als auch bei stationären Speichertechnologien (aufgrund der steigenden Nutzung von regenerativen Energien). Diese sind ein essenzieller Wachstumstreiber für das 21. Jahrhundert. Mit der im Projekt adressierten Zielstellung für die Batterieparameter werden die gesellschaftlichen Zielstellungen der Elektromobilität und der Energiewende unterstützt. Unter Einbindung deutscher Unternehmen entlang der Prozess- bzw. Wertschöpfungskette sollen die benötigten Technologien im Pilotlinienmaßstab demonstriert werden. Die Projektergebnisse haben damit eine herausragende wirtschaftliche Bedeutung für den technologieorientierten Anlagenbau (Von Ardenne GmbH, Gebr. Schmid GmbH) und die Batteriefertigung und -anwendung (Continental AG).

Die Ergebnisse des Projekts haben einen vielfältigen Nutzen für die Verbundpartner und stärken den Batterieforschungs- und Batterieproduktionsstandort Deutschland. Durch die Qualifizierung von wissenschaftlichem Personal auf dem Gebiet der elektrischen Energiespeicher wird sowohl die Steigerung der wissenschaftlichen Konkurrenzfähigkeit als auch personelle Fachkompetenz für Unternehmen ermöglicht. Es ergeben sich Möglichkeiten vom Aufbau neuer Anwendungsfelder für den Anlagenbau (Beschichtungstechnik, Ätztechnik für elektrische Energiespeicher), der kostengünstigen Fertigung von Anodenmaterialien basierend auf Silicium bis zum Aufbau einer Produktion für energiereiche Zellen.


Galerie

Unterschiedliche Ansätze für neue Anoden für Lithium-Ionen-Batterien
Darstellung der Entwicklungsschritte und Arbeitsstruktur im Projekt ProSiSt

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil, noch nicht vorhersehbar, Undefiniert

Förderempfänger

Industrie, undefiniert, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Lithium-Legierungen Silicium

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Elektrolyt flüssig

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Format Pouch

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Anode

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle mit Flüssigelektrolyt Elektrodenfertigung alternative Prozesse Silicium Abscheidung und Strukturierung Abscheidung Physical Vapor Deposition Fast Particle Deposition

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung für notwendige Vorprozesse der Halbzeuge

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse Konzeptentwicklung

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Hochskalierung

Anwendungsfelder

mobil Antriebsart BEV

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung Vakuumbeschichtung

Teilprojektleiter

Herr Markus Piwko
Von Ardenne GmbH
Am Hahnweg  8
01328 Dresden

E-Mail: piwko.markus@vonardenne.biz


Alternativer Kontakt

Herr Dr. Maik Vieluf

E-Mail: vieluf.maik@vonardenne.biz


Verbundprojektleiter

Herr Markus Piwko


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Markus Piwko
E-Mail: piwko.markus@vonardenne.biz


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Markus Piwko
E-Mail: piwko.markus@vonardenne.biz

Typ Inhalt Aktion
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