Zusammenfassung:
Forscher versuchen, Technologien aus der Halbleiterchip-Herstellung zu übernehmen, um seit langem bestehende Herausforderungen bei der Herstellung und Leistung von Batterien für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation zu lösen. Durch die Anwendung präziser Verarbeitungsmethoden, die ursprünglich zur Herstellung mikroelektronischer Komponenten verwendet wurden, auf Batteriematerialien hoffen Wissenschaftler, dünnere, gleichmäßigere und strukturell stabilere Batteriekomponenten zu schaffen und so die Ausdauer, Ladegeschwindigkeit und Batterielebensdauer von Elektrofahrzeugen weiter zu verbessern.
Nach jahrzehntelanger Entwicklung haben herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien große Fortschritte in Bezug auf Energiedichte, Kosten und Zuverlässigkeit gemacht, aber es wird immer schwieriger, die Leistung weiter zu verbessern. Gleichzeitig steigen auch die Anforderungen an Batterien in Elektrofahrzeugen. Die Autohersteller hoffen, dass Batterien mehr Energie speichern können, ein schnelleres Laden unterstützen und darüber hinaus eine höhere Sicherheit und eine längere Lebensdauer aufweisen müssen.
Festkörperbatterien gelten daher als eine der wichtigen Richtungen für die nächste Generation der Batterietechnologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte verwenden, verwenden Festkörperbatterien feste Elektrolyte, von denen erwartet wird, dass sie die Energiedichte erhöhen und das Risiko des Austretens von flüssigem Elektrolyt und eines Brandes verringern. Einige Designs können theoretisch Energiedichten von etwa 500 Wh/kg erreichen, während aktuelle Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten typischerweise bei etwa 300 Wh/kg liegen.
Aber Festkörperbatterien stehen bei der großtechnischen Kommerzialisierung immer noch vor einem sehr heiklen Problem: Das Material ist zu spröde.
Während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie bewegen sich Lithiumionen weiterhin im Elektrodenmaterial, wodurch sich die Elektrode wiederholt ausdehnt und zusammenzieht. Mit zunehmender Zyklenzahl können Lücken, Risse und sogar Verformungen zwischen verschiedenen Materialien auftreten, die letztendlich die normale Bewegung von Lithium-Ionen behindern und dazu führen, dass die Batteriekapazität und die Leistungsleistung allmählich abnehmen.
Forscher begannen daher, nach Möglichkeiten zu suchen, die innere Struktur von Batterien genauer zu steuern, und die Halbleiterfertigungstechnologie hat nach jahrzehntelanger Entwicklung eine Reihe ausgereifter Werkzeuge bereitgestellt, mit denen sich die Materialstruktur im Nanometerbereich steuern lässt.
Einer der Hauptvorteile der Chipherstellungsindustrie ist die Fähigkeit, äußerst regelmäßige Strukturen in extrem kleinen Maßstäben zu erzeugen. Transistoren und Verbindungsstrukturen in modernen Chips sind mittlerweile nur noch Nanometer groß, und der Herstellungsprozess erfordert eine präzise Steuerung der Materialabscheidung, des Ätzens, der Strukturierung und der Zwischenschichtstrukturen. Die Forscher hoffen, ähnliche Ideen auf die Batterieherstellung anwenden zu können und durch eine verfeinerte Strukturgestaltung der Batteriematerialien Fehler zu reduzieren, die im herkömmlichen Herstellungsprozess schwer zu kontrollieren sind.
Eine der Schlüsselrichtungen besteht darin, mit Methoden ähnlich der Halbleiterwaferverarbeitung Dünnschichtstrukturen in Batterien zu erzeugen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Batterieherstellung, die hauptsächlich auf Beschichten, Pressen und Trocknen beruht, kann der Chipherstellungsprozess einen äußerst gleichmäßigen nanoskaligen Film auf der Oberfläche des Materials bilden und die Grenzfläche zwischen verschiedenen Materialien präzise steuern.
Diese Fähigkeit ist besonders wichtig für Festkörperbatterien, da die Grenzfläche zwischen festen Materialien direkt darüber entscheidet, ob Lithiumionen reibungslos passieren können. Wenn an der Grenzfläche winzige Risse, Hohlräume oder eine ungleichmäßige Materialverteilung vorhanden sind, kann dies den Ionenübertragungswiderstand erhöhen und die Batterieleistung verringern.
Forscher hoffen, mithilfe der Dünnschichtabscheidung und der Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologie im Bereich der Halbleiterfertigung eine gleichmäßigere Elektroden- und Elektrolytstruktur innerhalb der Batterie aufzubauen und so die beim Laden und Entladen entstehende mechanische Belastung zu verringern.
Bei dieser Idee geht es nicht darum, einfach einen kompletten Satz von Chip-Produktionslinien in die Batteriefabrik zu verlegen, sondern Prozesse und Ausrüstung auszuwählen, die für die Batterieherstellung geeignet sind. Da zwischen Batterien und Chips große Unterschiede in Bezug auf Material, Größe und Produktionsmaßstab bestehen, dürften die Kosten für die Herstellung von Batterien, die ausschließlich auf Halbleiterherstellungsmethoden basieren, unannehmbar hoch sein.
Die Lösung mit echter kommerzieller Bedeutung besteht darin, die in der Chipindustrie bewährten Mikro-Nano-Verarbeitungsprinzipien zu nutzen und den Prozess so umzugestalten, dass er sich an die großflächige, ertragsstarke und kostengünstige Herstellung von Batterien anpassen lässt.
Dies ist eine der zentralen Herausforderungen, vor denen Forscher derzeit stehen. Chipwafer sind in der Regel nur einige zehn Zentimeter oder weniger groß, während die Elektrodenfläche einer Autobatterie mehrere Quadratmeter erreichen kann. Die Batterieproduktion erfordert auch die Verarbeitung großer Mengen aktiver Materialien, daher muss jeder neue Prozess die Präzision im Nanomaßstab mit der Produktionseffizienz im industriellen Maßstab in Einklang bringen.
Forscher glauben, dass, wenn dieses Scale-up-Problem gelöst werden kann, die über Jahrzehnte in der Halbleiterfertigungsindustrie gesammelten Erfahrungen einen neuen technischen Weg für die Batterieindustrie bieten könnten.
Gleichzeitig versuchen Batterieforscher auch, Elektrodenstrukturen mithilfe anderer fortschrittlicher Fertigungstechnologien zu verbessern. Durch die präzise Steuerung der Anordnung der Elektrodenmaterialpartikel können beispielsweise ausreichend Ionenkanäle erhalten bleiben und gleichzeitig der Anteil aktiver Materialien erhöht werden; Durch die Steuerung der Porenstruktur kann der Elektrolyt gleichmäßiger in die Elektrode eindringen.
Bei Festkörperbatterien ist die Steuerschnittstelle besonders wichtig. Herkömmliche flüssige Elektrolyte können die winzigen Lücken zwischen den Elektroden füllen, während feste Elektrolyte nicht wie Flüssigkeiten von selbst in diese Bereiche fließen können. Daher müssen Elektroden und Elektrolyte während der Herstellung einen sehr guten Kontakt haben.
Dünnschichtabscheidung, Oberflächenbehandlung und nanoskalige Strukturierungstechnologien in der Chipherstellungstechnologie können Forschern dabei helfen, diese Schnittstellen genauer zu handhaben.
Ein ähnlicher bereichsübergreifender Technologietransfer hat tatsächlich in der Batterieindustrie stattgefunden. In der Vergangenheit haben einige Batterieunternehmen Geräte und Prozesse aus der Halbleiter-, Displaypanel- und Präzisionsdünnschichtindustrie eingeführt, da diese Branchen auch extrem gleichmäßige Dünnschichtstrukturen auf großflächigen Substraten erzeugen müssen.
Forscher widmen auch Elektroden aus Siliziummaterial besondere Aufmerksamkeit. Silizium kann theoretisch viel mehr Lithium speichern als Graphit und gilt daher als wichtiges Material zur Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings erfährt Silizium beim Laden und Entladen sehr starke Volumenänderungen, die leicht zum Bruch der Elektrodenstruktur führen können.
Wenn das Siliziummaterial durch die Mikro-Nano-Fertigungstechnologie strukturell präziser gestaltet werden kann, kann es bis zu einem gewissen Grad Platz für die Materialausdehnung reservieren und den Übertragungsweg von Elektronen und Lithiumionen verbessern.
Diese Idee bedeutet, dass die Batterieherstellung in Zukunft immer mehr zu einer hochentwickelten „Materialtechnik“ werden könnte. Die Batterieleistung wird nicht mehr nur durch chemische Formulierungen bestimmt, sondern auch durch die Anordnung der Materialien auf der Nanoskala, die Grenzflächenstruktur und die Porenverteilung.
Die Forscher hoffen, irgendwann eine präzisere Methode zur Herstellung von Batterien zu erreichen: Sie steuern die Dicke jeder Materialschicht, den Kontakt zwischen jedem Material und den Weg der Ionenbewegung auf mikroskopischer Ebene und sorgen gleichzeitig für eine ausreichend hohe Produktionseffizienz auf makroskopischer Ebene.
Im Erfolgsfall könnte diese Art von Technologie mehrere Batterieparameter gleichzeitig verbessern. Eine gleichmäßigere Struktur kann den Innenwiderstand verringern und die Ladegeschwindigkeit erhöhen; Eine stabilere Schnittstelle kann Risse und Materialverlust während des Ladevorgangs reduzieren und dadurch die Batterielebensdauer verlängern. Ein höherer Anteil aktiver Materialien bietet die Möglichkeit, die pro Gewichtseinheit gespeicherte Energie zu erhöhen.
Der Übergang von der Labortechnik in die Automobilindustrie erfordert jedoch noch einen langen Zeitraum der Verifizierung. Batterien von Elektrofahrzeugen müssen nicht nur hunderte oder sogar tausende Male im Labor getestet werden, sie müssen auch hohen Temperaturen, niedrigen Temperaturen, Vibrationen, Kollisionen und der ständigen mechanischen Belastung standhalten, die über Jahre hinweg auftritt.
Noch wichtiger ist, dass sich jedes neue Herstellungsverfahren letztendlich als kostenwettbewerbsfähig gegenüber etablierten Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien erweisen muss. Die Leistung von Autobatterien ist viel höher als die der meisten High-End-Elektronikgeräte. Selbst wenn eine Technologie eine extrem hohe Nanometergenauigkeit erreichen kann, wird es schwierig sein, wirklich in die Automobilindustrie einzusteigen, wenn die Produktionsgeschwindigkeit zu langsam oder die Ausrüstungskosten zu hoch sind.
Anstatt also zu versuchen, eine Batterie in einen riesigen Chip zu verwandeln, greifen Forscher nun auf das zurück, was die Halbleiterindustrie am besten kann: Materialien und Schnittstellen mit extrem hoher Präzision zu kontrollieren.
Wenn diese Technologien schließlich in großem Maßstab angewendet werden können, könnten zukünftige Batterien für Elektrofahrzeuge während des Herstellungsprozesses Strukturkontrollfähigkeiten im Nanomaßstab erlangen, die denen moderner Chips ähneln. Dies könnte nicht nur die weitere Kommerzialisierung von Festkörperbatterien fördern, sondern auch die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation, Siliziumanodenbatterien und anderen neuen Energiespeichertechnologien verbessern.
Für die Elektrofahrzeugindustrie geht es in der nächsten Runde des Batterietechnologie-Wettbewerbs möglicherweise nicht mehr darum, ein „magisches neues Material“ zu finden, sondern darum, wie man mithilfe ausgefeilterer Herstellungsmethoden vorhandene Materialien zu Batterien mit besserer Leistung kombinieren kann. Die von der Chipherstellungsindustrie über Jahrzehnte gesammelten Erfahrungen bei der Mikro-Nano-Verarbeitung werden zu einem wichtigen Satz technischer Werkzeuge, die Batterieforscher auszuleihen versuchen.
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