23/09/2021
Door Ad Spijkers
Duitse onderzoekers werken aan een hogere specifieke energie en veiligheid van lithium-ionbatterijen
De onderzoekers maken in het project PolySafe gebruik van nieuwe soorten stroomafnemers. Nu zijn dit goed geleidende dunne metaalfolies. De onderzoeksfocus ligt op stroomcollectoren van metaal-polymeercomposiet. Deze maken het thermisch weglopen van batterijcellen veel moeilijker en verminderen zo het risico op brand.
Metaal-polymeer stroomcollectoren zijn lichter dan de nu gebruikte metalen stroomcollectoren. Ook onderbreken ze het circuit wanneer een kritische temperatuur wordt bereikt. Op dat moment smelt de stroomafnemer, waardoor de stroom en daarmee de kortsluiting wordt onderbroken.
Gezamenlijk onderzoek
De haalbaarheid van de fabricage van de metaal-polymeer stroomafnemers is al gezamenlijk aangetoond in het Saksische onderzoeksproject PolyCollect. Met behulp van fysieke dampafzetting konden aluminiumlagen tot 1 µm dik worden geproduceerd op polymeersubstraten met een dikte tot 8 µm. Tot op heden zijn er echter te weinig gegevens van prototypecellen met dit materiaal, daarom laat de toepassingsgerichte evaluatie van deze technologie nog op zich wachten.
Het doel van het Polysafe onderzoeksproject is om een procesketen te kwalificeren die is aangepast aan de metaal-polymeer stroomcollectoren. Het proces moet geschikt zijn voor de productie van batterijcellen in verschillende formaten (ronde cel, buidelcel). Ook moet het veiligheidsvoordeel en de chemie in verschillende celontwerpen op een praktische manier worden onderzocht.
De projectpartners willen niet alleen de gefabriceerde metaal-polymeer stroomcollectoren in batterijcellen integreren. Ook willen ze aluminium- of koper-polymeer stroomcollectoren op een specifieke manier aanpassen en optimaliseren aan de vereisten van het respectievelijke celontwerp.
De uitdaging is om de polymeersubstraten en het coatingproces zo te ontwerpen dat een dikte vergelijkbaar met de huidige metaalfolies en een optimale elektrische geleidbaarheid van de metaallaag wordt gegarandeerd. Tegelijkertijd moeten de productiekosten van de stroomafnemers op een concurrerend niveau worden gebracht.
Projectpartners
De Battery LabFactoryvan de Technische Universität Braunschweig brengt haar expertise in het productieproces en de karakterisering van elektroden en buidelcellen voor lithium-ionbatterijen in. Von Ardenne uit Dresden neemt de coördinatie van het PolySafe-onderzoeksproject op zich. Bovendien brengt het bedrijf zijn kennis in voor het technische ontwerp van een productie-installatie voor de afzetting van metaallagen.
Het Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden ontwikkelt een geschikte procesbesturing voor de depositie van de aluminium- en koperlagen in een roll-to-roll proces. Het Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) met hoofdvestiging in Braunschweig onderzoekt de geschiktheid van metaal-polymeer stroomcollectoren voor nieuwe generaties batterijcellen, met een focus op lithiummetaalanoden.
Brückner Maschinenbau in Siegsdorf (zuidoost Beieren) werkt aan de ontwikkeling van polymeerfilms die zowel aan de eisen van metallisering als aan het gebruik in batterijen zijn aangepast. Varta Microbattery in Ellwangen (tussen Stuttgart en Neurenberg) neemt de integratie van de nieuwe elektroden met metaal-polymeer stroomafnemers in volledige cellen en de normconforme veiligheidstests op zich.
Foto: Von Ardenne Corporate Archive