Widerstandsmessung für Batteriefolien

Für die zuverlässige Bestimmung elektrischer Eigenschaften von gefertigten Batteriefolien und -elektroden wird am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST ein neues Messsystem entwickelt.

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Kalt-Plasmaspritzen in der Anwendung

Am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST wurde daher ein Verfahren entwickelt, mit dem herkömmliche Türgriffe aus Kunststoff oder Metall mit einer antibakteriellen Kupferschicht versehen werden können: das sogenannte Kalt-Plasmaspritzen.

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Gasfluss-gesputterte Siliziumschichten

Da reines Silizium seit Jahrzehnten das Basiselement der Mikroelektronik ist, werden neuartige Silizium-Abscheideprozesse entwickelt und untersucht. Einer dieser Prozesse nutzt das am Fraunhofer IST entwickelte Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern (GFS).

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Neue Materialien für schaltbare Verglasungen

Die Nachfrage nach schaltbaren Verglasungen steigt aus Gründen des Komforts und wachsender Energiekosten stetig. Die dafür benötigten elektrochromen Schichten werden am Fraunhofer IST entwickelt.

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Reaktiv gesputtertes ZnO:Al vom Doppelrohrmagnetron

Für die Produktion von Dünnschichtsolarzellen werden transparente, leitfähige Schichten (TCOs) als Frontkontakte benötigt. Das Fraunhofer IST verfügt über einen reaktiven Sputter­prozess von metallischen Targets, der das Potenzial besitzt, den herkömmlichen DC-Sputterprozess von keramischen Targets abzulösen.

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Pd-Gastrennmembranen für die Wasserstoffseparation

Die Nachfrage nach sauberer und grüner Energie hat den Verbrauch von Wasserstoff in den letzten Jahren kontinuierlich steigen lassen. Das Fraunhofer IST arbeitet daher gemeinsam mit Kooperationspartner an einem Lösungsansatz, kleine und mittlere Wasser­stoff­mengen wirtschaftlich zu produzieren.

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Neue nichtinvasive Widerstandsmessung für Batteriefolien

Labormessstand zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften.
© Fraunhofer IST, Nils Mainusch

Labormessstand zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften.

Die Weiterentwicklung von Speichern für elektrische Energie ist von zentraler, gesellschaftlicher Bedeutung, da die zunehmende Nutzung regenerativer Energiequellen und die dezentrale Energiegewinnung durch beispielsweise Solaranlagen auf Hausdächern verbesserte Speicher erfordern. Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind für diesen Zweck eine aussichtsreiche Technologie. Auch im Bereich mobiler Anwendungen und im Automotive-Sektor werden LIB zunehmend eingesetzt. Vor diesem Hintergrund arbeitet das Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST an einer Verbesserung der Batterien. Entwickelt werden spezielle Metallfolien, die als Träger für LIB-Elektrodenschichten fungieren. Ansatzpunkt des entsprechenden Projekts »Batteriefolie mit Kohlenstoff-Kontaktschicht«, kurz  »KoKon«, ist die Minimierung von elek­trischen Widerständen in Elektroden. Dies wird durch mittels Plasma erzeugte Funktionsschichten erreicht. Zusätzlich zur Herstellung von Batteriefolien ist die zuverlässige Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von gefertigten Folien und Batterieelektroden ein wichtiger Projektinhalt. Um dies zu bewerkstelligen, wird innerhalb des Projekts ein neuartiges Messsystem entwickelt: e-CON.

System zur Widerstandsmessung: e-CON

Bei elektrischen Widerstandsmessungen an Objekten mit rauer Oberfläche, wie z. B. LIB-Elektroden, ist es oftmals nicht möglich, eine verlustfreie Kontaktierung herbeizuführen. Typischerweise werden für diesen Zweck Messspitzen oder -stempel verwendet. Diese verursachen jedoch »parasitäre« Spannungsabfälle in der Kontaktzone und sind zudem invasiv. Beides kann das Messergebnis signifikant verfälschen und die Reproduzierbarkeit der Messung beeinträchtigen.

Mit dem Ziel, Messkontakte zerstörungsfrei, stabil und zugleich niederohmig zu realisieren, wurde am Anwendungszentrum für Plasma und Photonik eine Kontaktierungssonde entwickelt. Hierbei werden magnetisierbare Mikropartikel verwendet, die mit einer elektrisch exzellent leitfähigen Beschichtung versehen sind. Unter dem Einfluss eines Träger­magneten bildet eine Vielzahl derartiger Partikel längliche Partikel­ketten aus, die mit dem Magneten in Kontakt stehen. In der Gesamtheit entsteht so ein dreidimensionales Gebilde mit antennenartigen Strukturen, die eine hohe Flexibilität aufweisen. Beim Platzieren der Sonde auf die Elektrodenoberfläche verformt sich das Gebilde und passt sich an die Topographie an. Die leichte Verschiebbarkeit der Partikel bewirkt, dass der Formschluss ohne jegliche mechanische Belastung des Objekts erzielt werden kann. Über einen geeigneten Sensor zur Höhenpositionierung der Sonde kann die Aufsetzkraft auf dem Messobjekt kontrolliert und mittels z-Achsensteuerung geregelt werden. Insgesamt wird ein weitgehend verlustfreier Elektronentransport vom Messobjekt in das Partikelgebilde der Sonde und so in das Messgerät, z.B. ein Mikroohmmeter, gewährleistet. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für das Erzielen von belastbaren Messwerten.

Ausblick

Die bisherigen Projektergebnisse haben ergeben, dass die Verwendung von Batteriefolie zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Zellen führt. Im weiteren Verlauf des Projekts sollen die Arbeiten zur Folien- und Zellherstellung sowie zu Batterietests in einer industrienahen Technikumsumgebung fortgeführt werden. Das e-CON Laborgerät wird aktuell in ein kompaktes, halbautomatisches Messsystem überführt.

Das Projekt

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt »Batteriefolie mit Kohlenstoff-Kontaktschicht – KoKon« ist eine Kooperation zwischen dem Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST und dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT. Der Industriebegleitkreis setzt sich aus elf Unternehmen zusammen. Gefördert wird das Teilvorhaben des Anwendungszentrums von der AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke« e. V. mit 215 750 € .

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