Wie kann es gelingen, die Produktion von Solid-State-Batterien im Labormaßstab hin zur Massenproduktion überzuführen? Welche Prozesse eignen sich besonders gut für die Serienproduktion und wo ist noch Aufholbedarf? Dieser Artikel gibt einen Überblick.
Die Überführung von Prototypen-Zellen hin in die Massenproduktion ist einer der Herausforderungen, die gelöst werden muss, um der Solid-State-Batterie zum Durchbruch zu verhelfen. Entscheidend bei der Industrialisierung ist, die Kosten zu senken und Produktionsschritte zu entwickeln, die sich in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess herstellen lassen, um Umrüstzeiten und manuelle Arbeitsschritte zu minimieren. Zur Fertigung der Solid-State-Batterien wird außerdem versucht, möglichst viele der Herstellungsschritte mit bestehenden Verfahren aus der Fertigung von Li-Ionen-Batterien zu übernehmen, da dadurch Investitionskosten in neue Anlagen gespart werden können. Außerdem besteht bereits Erfahrung mit dem Produktionsablauf, sodass die Produktion schneller skaliert werden kann (vgl. [1]) .
Herstellung der Elementarzelle
Eine Zelle besteht im Wesentlichen aus der Kathode , der Anode, dem Festkörperelektrolyt und den Stromkollektoren. Mehr Informationen zum allgemeinen Aufbau der Festkörperbatterie finden sich hier analysiert.
Der Herstellungsprozess wird in diesem Artikel anhand einer Materialkombination aus Li-Metall als Anode, LLZO als Festkörperelektrolyt und LCO als Kathodenmaterial beschrieben. Diese Materialkombination ist bekannt und es gibt Informationen in der Literatur, wie der Herstellungsprozess abläuft, weshalb sie hier verwendet wird. LLZO ist dabei ein Garnet-Type-Elektrolyt und gehört damit in die Gruppe der Oxidelektrolyten, die als besonders anspruchsvoll in der Fertigung gelten, da das Elektrolytmaterial hart und brüchig ist (Mehr Informationen zu Oxidelektrolyten gibt es: hier analysiert).
Abbildung 1: Prozessflussdiagramm zur Herstellung einer Solid-State-Elementarzelle. Abbildung erstellt basierend auf RWTH Aachen: Production of All-Solid-State-Battery Cells [2]
Prozessablauf am Beispiel einer LCO|LLCO|Li-Elementarzelle
In Abbildung 1 ist das Prozessflussdiagramm für die Herstellung einer Elementarzelle dargestellt. Eine Elementarzelle ist dabei eine einzelne logische Zelle mit der für die Zellchemie typischen Spannung. Für Pouch- oder Prismatische Zellen ist es üblich, mehrere Elementarzellen in einem Gehäuse zu einer Gesamtzelle parallel zu schalten, um die Kapazität der Zelle zu erhöhen.
Die Herstellung einer Solid-State-Elementarzelle beginnt mit der Herstellung der Kathode. Der Prozess hierzu unterscheidet sich hier im Wesentlichen nicht von der Fertigung für Li-Ionen-Batterien [3]. Als Kathodenrohmaterial wird LCO-Granulat verwendet und in einen Extruder gegeben, der das Material zum Schmelzen bringt. Parallel zur Kathode wird das LLCO-Elektrolyt als Granulat in einem zweiten Extruder zum Schmelzen gebracht.
Die Stromkollektorfolie der Kathode wird im nächsten Prozessschritt als Trägerfolie verwendet. Auf diese wird nun mit einem doppelten Extruder zunächst die flüssige Kathodenschicht und dann die flüssige Elektrolytschicht aufgetragen. Die beschichtete Folie läuft nun durch mehrere Walzen und wird kalandriert (also verdichtet), um die Schichten dauerhaft miteinander zu verbinden.
Die Anode wird als Li-Folie produziert. Dazu wird Lithiummetall geschmolzen und in einem Extrudier- und Kalandrierprozess zu einer dünnen Folie gepresst. Im letzten Prozessschritt wird diese Anode dann auf die Kathode-Elektrolytverbindung laminiert und verpresst, dass sie gut zusammenkleben [2].
Ergänzende Prozessschritte und alternative Herstellungsverfahren
Der im vorangegangen Abschnitt dargestellte Prozess ist eine vereinfachte Darstellung des Vorgangs. In der Praxis müssen teilweise noch Additive im Herstellungsprozess zugefügt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Je nach Materialkombination kann es auch nötig sein, extra Schutzschichten aufzutragen, um zum Beispiel Reaktionen zwischen Anode und Elektrolyt zu vermeiden. Für Sulfidelektrolyten ist beispielsweise bekannt, dass diese ohne Schutzschicht parasitäre Reaktionen mit der Li-Metallschicht eingehen [3].
Für die Herstellung der Elementarzelle gibt es diverse Alternativen, die sich erheblich im Forschungsstand unterscheiden. Die wichtigsten Alternativen sind im Folgenden aufgelistet:
- Kathode: Neben dem Extruderverfahren kann eine Kathode auch in einem Nassprozess hergestellt werden. Diese Verfahren werden im großen Stil bei konventionellen Li-Ionen-Herstellprozessen eingesetzt und zeichnen durch die gute Skalierbarkeit aus [3].
- Elektrolyt: Für die Elektrolytherstellung kommt ebenfalls ein Nassprozess in Frage. Nachteilig ist hier, dass ein Lösungsmittel verwendet wird, was am Ende des Produktionsprozesses aus dem Elektrolyt aufwendig wieder herausgetrocknet werden muss. In einem weiteren Verfahren wird über ein Trägergas das Elektrolyt in einer Vakuumkammer gebracht, wo es sich dann auf der Kathode absetzt. Dieses Verfahren ist aber sehr langsam und daher von einer kommerziellen Anwendung noch entfernt [3]
- Anode: Neben dem Extruderverfahren gibt es noch den Ansatz, die Anode im Herstellungsprozess komplett wegzulassen. Diesen Ansatz verfolgt zum Beispiel QuantumScape [4]. Auf der der Kathodenseite wird überschüssiges Lithium eingebracht, dass dann erst beim erstmaligen Laden auf die Anodenseite wandert und erst dadurch die Anode aufbaut [3].
Weiterverarbeitung der Elementarzelle
Abbildung 2: Prozessdiagramm des Herstellungsprozesses von der Elementarzelle hin zum fertigen Produkt, Abbildung erstellt basierend auf RWTH Aachen: Production of All-Solid-State-Battery Cells [2]
Mit einer fertigen Elementarzelle ist der Fertigungsprozess der Solid-State-Batterie aber noch nicht abgeschlossen. Abbildung 2 gibt einen Überblick über den restlichen Prozess bis am Ende eine verkaufsfertige Zelle existiert. Zunächst wird die Elementarzelle auf die jeweilige Zellgröße zugeschnitten. Dazu wird in der Regel ein Laser verwendet [3]. Im nächsten Schritt erfolgt das Stacking, also das Stapeln der Elementarzelle zu einer fertigen Zelle. Die Elementarzellen werden dabei in parallel geschalten, sodass sich die Kapazitäten addieren. Es gibt allerdings auch Ansätze, die Zellen in eine Reihenschaltung zu bringen und so die Spannung einer Zelle zu erhöhen (sog. Bipolarer Aufbau). Diesen Ansatz nennt man CellisPack (CIP), weil dadurch theoretisch nur noch eine einzelne Zelle nötig ist, um ein komplettes Pack zu bilden. Er befindet sich aber in einer frühen Forschungsphase und ist nicht für die erste Generation der Solid-State-Batterien zu erwarten[5]. Im nächsten Schritt werden jeweils alle positiven Stromkollektoren mit dem positiven Zellterminal und alle negativen Stromkollektoren mit dem negativen Zellterminal verbunden. Im letzten Produktionsschritt werden die Zellen dann in ihre finale Zellhülle (Metallgehäuse oder Pouchfolie) gepackt [3]. Bei konventionellen Li-Ionen-Zellen erfolgt mit dem Verpacken der Zelle auch das Einfüllen des flüssigen Elektrolyt. Dieser Prozessschritt entfällt für All-Solid-State-Batterien [1].
Bevor die Zelle eingesetzt werden kann, wird noch der sogenannte Forming-Prozess durchgeführt. Dieser wird auch bei Li-Ionen-Zellen benötigt und dient dazu nötige Schnittstellenschichten zwischen Elektrode und Elektrolyt aufzubauen. Für das Forming wird die Zelle mit niedrigen Strömen geladen und entladen. Es wird erwartet, dass für Solid-State-Batterien bereits ein Zyklus ausreicht, um den Formingprozess abzuschließen [2]. Anschließend wird die Zelle noch für mehrere Tage unter kontrollierten Bedingungen überwacht, um beschädigte Zellen zu identifizieren. Zuletzt werden einige Charakterisierungstests durchgeführt, um die Qualität der Zelle nachzuweisen [3]. Anschließend kann die Zelle in Module eingebaut oder als Einzelzelle auf den Markt gebracht werden.
Fazit
Der dargestellte Produktionspfad ist nur eine Möglichkeit von vielen Prozessen. Letztlich muss für jede Materialkombination neu beurteilt werden, welcher Herstellungsprozess am geeignetsten ist. Insbesondere die Wahl des Elektrolyt hat einen erheblichen Einfluss auf die möglichen Prozessschritte. Während für Polymerelektrolyte bereits erste Fahrzeuge in Kleinserie produziert werden (vgl. Mercedes eCitaro [6]) und damit bereits erste Praxiserfahrungen mit dem Herstellungs- und Skalierungsprozess gesammelt werden konnte, fehlt diese Erfahrung für sulfid- und oxidbasierte Elektrolyte noch weitgehend.
Bereits heute zeichnet sich jedoch ab, dass die Herstellung und Skalierung besonders dann erfolgreich gelingt, wenn auf bekannte Herstellungsverfahren gesetzt werden kann. Es bleibt abzuwarten, welchem Hersteller es als erstes gelingt, größere Stückzahlen an Solid-State-Batterien herzustellen und damit eine Alternative zu heutigen Li-Ionen-Batterien anbieten kann.
Quellen
[1] InsideEV: Solid Power Will Power BMW and Ford with Its Solid-State Cells, https://insideevs.com/news/505087/solid-power-bmw-ford-ssb/
[2] Heimes, H., Kampker, A. et al.: Production of All-Solid-State Battery Cells, 2018 RWTH Aachen University.
[3] Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI: Solid-State Battery Roadmap 2035+, Karlsruhe, 2022
[4] Quantumscape: Delivering on the promise of solid-state technology, 2023, https://www.quantumscape.com/technology
[5] ProLogium: Vinfast and Prologium Launching JV to Build SolidState EV Battery Pack in Vietnam, March 02, 2021, https://prologium.com/vinfast-and-prologium-launching-jv-to-build-solidstate-ev-battery-pack-in-vietnam/
[6] Mercedes Benz: eCitaro, Battery Technology, 2023, https://www.mercedes-benz-bus.com/de_DE/models/ecitaro/technology/battery-technology.html
