Li+-Ionen Batterien, schematisch dargestellt in Abbildung 1, eignen sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie- und Leistungsdichte neben dem Einsatz für stationäre Speichermodule insbesondere für den Einsatz in mobilen Anwendungsbereichen und stehen deshalb im Moment im Fokus des Interesses.

                                             
                                                  Abbildung 1 - Prinzipieller Aufbau einer Li+-Ionen Batterie

Um die theoretisch möglichen, hohen spezifischen Energiedichten zu erreichen, muss der Anteil an Kathoden- und Anodenmaterial an der Gesamtmasse der Batteriezelle so groß wie möglich sein. Gleichzeitig muss stets die Sicherheit gewährleistet sein. Hierfür ist der poröse Separator zuständig, der die Elektroden physisch voneinander trennt, allerdings nichts zur Speicherkapazität der Batterie beiträgt. Darüber hinaus darf der Separator durch seine Anwesenheit nicht die Leitfähigkeit der Li+-Ionen, die durch den Elektrolyten, der die Elektroden und den Separator durchdringt, beeinträchtigen. Der ideale Separator ist demnach eine möglichst dünne, poröse Schicht mit guten mechanischen Eigenschaften und hoher chemischer Stabilität. Er verhindert den direkten Kontakt der Elektroden miteinander und bietet eine für den Transport der Li+-Ionen optimale Porosität und Porenradienverteilung ohne dabei so porös zu werden, dass eventuell auftretende Li-Metalldendrite durch den Separator wachsen und so einen Kurzschluss verursachen können. Kommt es während des Betriebes der fertigen Batterie durch interne oder externe Einflüsse (z.B. ein Metallsplitter wird bei einem Autounfall durch die Batteriezelle getrieben) zum Kurzschluss, entlädt sich die Zelle schlagartig und setzt große Energiemengen frei. Derzeit häufig verwendete Separatoren (siehe Abbildung 2) sind dünne und poröse Polyolefinmembranen, die bei Temperaturen >135°C schmelzen und so zum totalen Versagen der Batterie führen. Im Extremfall kann die Batterie dabei sogar explodieren. Durch eine Beschichtung solcher Membranen mit keramischen Partikeln kann die Sicherheit stark erhöht werden. Auch die Schrumpfung bei höheren Temperaturen, die bei reinen Polymermembranen recht groß ist, wird so verhindert. Neben Polyolefinsubstraten können darüber hinaus Vliese und Faserstoffe verwendet werden.
Man sieht, dass die Anforderungen hoch und die möglichen Lösungsrouten vielfältig sind. Insbesondere die Prozessierung stellt heutzutage einen großen Kostenfaktor dar, dessen Optimierung enormes Einsparpotential verspricht.

                                                 
                   Abbildung 2 - SEM-Aufnahmen zweier Polypropylen-Separatoren (Chem. Rev. 2004, 104, No. 10 4419-4462)

Trotz breit gefächerter und intensiver Forschungstätigkeiten, insbesondere der Materialwissenschaft, auf dem Gebiet der Li+-Ionen Batterie, ist die nähere Betrachtung der verfahrenstechnischen Seite, sprich der Einfluss von Beschichtungs- und Trocknungsparametern auf die Eigenschaften der dünnen Elektroden- und Separatorschichten, in der Literatur unterrepräsentiert. Die Arbeit auf diesem Thema ist insbesondere durch die Interdisziplinarität äußerst reizvoll. So spielen neben den Kernkompetenzen des Instituts, der Beschichtung und der Trocknung, unter anderem auch rheologische Eigenschaften, die Elektrochemie und Themen der mechanischen Verfahrenstechnik eine Rolle.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Entwicklung neuer, kostengünstiger Separatoren und der Optimierung der Eigenschaften durch das Schaffen eines tiefgreifenden Verständnisses der Vorgänge, die während der Beschichtung und insbesondere der Trocknung ablaufen.

Weiterführende Informationen:

Die Forschungstätigkeiten der Li+-Ionen-Batterie Gruppe der „Thin Film Technology“ sind eng mit dem Elektromobilitätsprojekt „Competence E verknüpft. Im Rahmen dieses Projektes, in dem 24 weitere Arbeitsgruppen involviert sind, wird in mehreren Stufen ein Forschungs- und Kompetenzzentrum geschaffen, das Deutschland einen Platz unter den weltweit führenden Nationen garantieren soll. Weitere Informationen:
http://www.kit.edu/mediathek/print_forschung/Flyer_Competence_E_DE.pdf

                                            
Abbildung 3 - Im September 2011 drehte ein Kamerateam im Auftrag des VDMA den Film: „Mobilmacher aus der Zelle - Bezahlbare Hochleistungs-Batterien vor dem Durchbruch“ unter anderem im Labor des TFT. Quelle: http://www.vdma-webbox.tv/