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Sep 07, 2023

Batteriematerialien

Verbraucher von Elektrofahrzeugen wünschen sich eine größere Reichweite und schnelles Aufladen, um wieder zurückzukommen

Verbraucher von Elektrofahrzeugen wünschen sich eine größere Reichweite und schnelles Laden, um schnell wieder auf die Straße zu kommen. Die Speicherung von mehr Energie im Verhältnis zu Gewicht und Volumen und die Akzeptanz höherer Laderaten erhöhen die Anforderungen an Materialleistung, Stabilität und Sicherheit. Eine breitere Einführung von Elektrofahrzeugen erfordert eine verbesserte Materialausnutzung entlang der Lieferkette.

META entwickelt neue Batteriematerialien und Herstellungstechniken, um all diesen Herausforderungen zu begegnen.NCORE™ Stromkollektoren aus Polymerverbundstoff, die mit der proprietären PLASMAfusion®-Hochgeschwindigkeits-Vakuumbeschichtungstechnologie hergestellt werden, reduzieren das Gewicht erheblich und bieten gleichzeitig eine sicherungsähnliche Sicherheitsfunktion. NPORE®-Keramikseparatoren verfügen über eine Wärmeschrumpfung von <1 % für mehr Sicherheit und bieten eine hervorragende elektrochemische Leistung.

Stromabnehmer sind wesentliche Bestandteile von Lithium-Ionen-Batterien und bestehen aus Aluminium- (Al) und Kupferfolien (Cu) für die Kathode bzw. Anode. Zusammengenommen machen Stromabnehmer etwa 15 % der gesamten Batteriezellenmasse aus und tragen nicht aktiv zur Batteriekapazität bei. Al hat eine geringe Dichte von 2,70 g/cm3, während Cu mit 8,96 g/cm3 viel schwerer ist, sodass Stromkollektoren aus Cu-Folie mehr als 10 % des Gewichts einer typischen Li-Ionen-Batterie ausmachen.

Ein PET/PEN-Kunststoffsubstrat, das auf jeder Seite mit dünnen Cu-Schichten (150–250 nm) und eingebetteten Metallbrücken für durchgehende Leitfähigkeit beschichtet ist, verspricht die gleiche Funktionalität und die gleichen Kosten wie Kupferfolie und bietet gleichzeitig mehrere Vorteile. Das Gewicht wird um ca. 85 % reduziert und die geringere Dicke ermöglicht mehr aktives Material, wodurch die Energie- und Leistungsdichte erhöht wird. Im Falle eines thermischen Durchgehens schmilzt der Kunststoff, was die Sicherheit erhöht, indem die Selbstentzündung der Batterie verzögert wird. Ein geringerer Kupfergehalt reduziert den Energieaufwand für die Herstellung der Batterie und fördert das Recycling.

NPORE® ist der weltweit erste flexible, freistehende keramische nanoporöse Membranseparator für Lithium-Ionen-Batterien. NPORE®-Separatoren machen die Verwendung von Kunststoffsubstraten überflüssig und bieten überlegene Funktionalität und hervorragende Hitzebeständigkeit für Lithium-Ionen-Batterien der aktuellen und nächsten Generation.

Zu den NPORE®-Funktionen gehören:

Der Separator und die Stromkollektoren (CCs) gehören zu den grundlegenden Komponenten jeder Lithium-Ionen-Batterie (LIB). Diese passiven Komponenten sind zwar nicht direkt an der Kinetik der Elektrochemie beteiligt, bestimmen jedoch maßgeblich die Sicherheit, Leistung, Langlebigkeit, das Gewicht und das Volumen einer Zelle. Eine Verringerung ihres Gewichts oder Volumens innerhalb eines Bereichs, in dem ihre Funktionalitäten nicht negativ beeinflusst werden, kann die gravimetrische oder volumetrische Energie- und Leistungsdichte einer Zelle direkt verbessern. In der folgenden Präsentation stellen wir einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Sicherheit und Leistung von LIBs unterschiedlicher Größe und Chemie vor, der zwei intelligente passive Komponenten der nächsten Generation nutzt, nämlich einen Metall-Polymer-Verbundstoff CC (NCORE™) und eine nanoporöse Keramik Separator (NPORE®). NCORE™ wird hergestellt, indem ein 6 μm dickes Polymersubstrat auf jeder Seite mit einer dünnen (250 nm) Schicht aus Kupfermetall (Cu) beschichtet wird. Bei diesem Metallisierungsprozess werden auch hochdichte Cu-Elemente (Brücken) in das Substrat eingebettet. Das resultierende Material weist eine erhöhte Leitfähigkeit sowohl in der Ebene als auch in der Richtung außerhalb der Ebene auf. Als intelligente Sicherung verhindert NCORE™, dass zusätzlicher Einschaltstrom ein thermisches Durchgehen auslöst, das möglicherweise zu einem gefährlichen Brand führen kann, der in einer Zelle nur sehr schwer zu löschen ist, wenn die Innentemperatur 250 °C übersteigt. NCORE™ eliminiert bis zu 90 % des in einem typischen CC enthaltenen Cu, reduziert das Gewicht der Batterie und verbessert ihre Leistung und Recyclingfähigkeit. NPORE® ist ein proprietärer, robuster, nanoporöser Keramikseparator, der äußerst beständig gegen Schmelzen und Schrumpfen ist. Im Falle eines internen Kurzschlusses zwischen den Elektroden, der durch einen Dendriten oder einen anderen Defekt verursacht werden kann, schrumpft NPORE® nicht vom Ort des Defekts weg und verhindert so, dass sich die durch den Kurzschluss verursachte Wärme zu einem thermischen Durchgehen ausbreitet. Die Kombination von NCORE™ und NPORE® bietet eine innovative Sicherheitslösung für LIBs unterschiedlichster Chemie und Formfaktoren.