Adriana Creatore (Eindhoven University of Technology) en Auke Kronemeijer (TNO/Holst Centre) openden de workshop Atomic Layer Deposition voor next-generation batterijen, georganiseerd binnen het NWA ORC BatteryNL-project in samenwerking met het Nationaal Groeifonds NXTGEN Hightech en High Tech NL.

Het evenement bracht deelnemers samen uit academische onderzoeksgroepen die werken aan ALD, batterijmaterialen en testmethoden, en weerspiegelde de gezamenlijke inspanning van bedrijven, kennisinstellingen en organisaties die bouwen aan kennis en competenties op het gebied van batterijtechnologie.

In hun introductie stonden Adriana en Auke stil bij de motivatie voor de workshop. Hoewel Nederland een erkende hub is voor onderzoek en productie van depositietechnologieën, ondervindt de toepassing van deze technieken binnen het batterijveld nog steeds obstakels.

De zorgen die vanuit deze ervaringen naar voren kwamen, bleken breed herkenbaar binnen de BatteryNL-community en werden gedeeld tijdens een bijeenkomst met collega’s en stakeholders. Met ondersteuning van NXTGEN Hightech en High Tech NL groeiden deze gesprekken uit tot een lunchsessie tijdens Battery Day in september 2024, waar de eerste ideeën voor een speciale workshop vorm kregen.

De visie was helder: het creëren van een inclusief en veilig platform dat open dialoog stimuleert, strategische kansen voor high-throughput ALD in batterijen identificeert, kosten en baten tegen elkaar afweegt en zowel wetenschappelijke als technologische uitdagingen zichtbaar maakt. Tijdens de voorbereidingsfase volgden meerdere online bijeenkomsten, wat uiteindelijk leidde tot het definitieve programma dat in september aan de deelnemers werd gepresenteerd.

Ochtendsessie van de workshop

De ochtendsessie bestond uit perspectieflezingen over ALD in batterij-engineering, SEI-engineering en formatiecycli in lithium-ionbatterijen, en nanocoatings op poedercathodes en -anodes. Deze presentaties werden verzorgd door Mahmoud Ameen (TechMatter BV), Marnix Wagemaker (TU Delft) en Sébastien Moitzheim (Powall).

Mahmoud opende zijn bijdrage met de stelling dat het beheersen van interfaces in batterijen essentieel is voor kostenreductie, betere prestaties en verhoogde veiligheid, waarbij hij ook aangaf dat met elke nieuwe batterijklasse nieuwe interface-uitdagingen ontstaan. Na een overzicht van belangrijke literatuurresultaten over SEI en CEI en voorbeelden van conforme ALD-lagen, deelde Mahmoud zijn visie op waarom de adoptie van ALD in batterijen tot nu toe traag verloopt. Belangrijke redenen die hij noemde zijn onduidelijke return-on-investment-modellen, het ontbreken van gestandaardiseerde KPI’s, verwachtingen rond gratis samples, moeilijkheden bij het realiseren van zelfbegrenzende reacties, het ontbreken van duidelijke beoordelingsprotocollen en referenties, en uitdagingen bij het detecteren van ALD-lagen zowel vóór als na elektrochemische testen.

De ochtendsessie werd vervolgd met wetenschappelijke inzichten van Marnix Wagemaker, die zijn bijdrage opende met de “99,99% Coulombic efficiency challenge”. Hij benadrukte hoe cruciaal het is dat de verhouding tussen de totale ontladen lading en de totale opgeladen lading 99,99% bereikt, zodat na 1000 cycli nog 90% van de batterijcapaciteit behouden blijft.

De sessie werd afgesloten door Sébastien Moitzheim, die Mahmouds voorspelling bevestigde dat de volgende grote toepassing van ALD in batterijen zal liggen. Tegelijkertijd stond hij stil bij de uitdagingen voor ALD-apparatuur en processen, met name de extreem hoge throughput die nodig is bij de overgang van chipproductie naar batterijproductie. Dit hangt samen met de ongeveer 100.000-voudige toename van het te coaten oppervlak in batterijen ten opzichte van de vlakke oppervlakken in chips.

Middagsessie van de workshop

Paul Poodt (SparkNano & TU/e) en Adriana Creatore (TU/e) introduceerden de gespreksonderwerpen voor het publiek. De deelnemers werden vervolgens uitgenodigd om deel te nemen aan groepsdiscussies en de resultaten samen te vatten. Milou Arts (High Tech NL) interviewde de moderatoren over de uitkomsten van de discussies.

Drie belangrijke nationale projecten

Gematigd door Auke Kronemeijer (TNO/Holst Centre): NWA ORC BatteryNL, Groeifonds NextGen Equipment for Batteries and Battery Materials en Groeifonds SMART CBAT.

Het Nederlandse batterijenecosysteem is geconcentreerd, wat verdere samenwerking zou moeten stimuleren. In de praktijk wordt samenwerking binnen lopende projecten echter vaak bemoeilijkt door hiaten en uiteenlopende doelstellingen tussen academie en R&D, beperkte toegang tot high-end karakterisatie op kleine aantallen samples en vertraagde feedback. Het werken aan een gezamenlijke casestudy kan helpen om inspanningen rond een gedeelde uitdaging beter te aligneren. Basisstappen, zoals het inkopen van hetzelfde onbewerkte kathodemateriaal en het hanteren van gestandaardiseerde protocollen, kunnen deze aanpak verder ondersteunen.

Daarnaast wordt aanbevolen dat toekomstige calls zich richten op het verwerven van extra infrastructuur voor karakterisatie, evenals technisch personeel. Lopende en aankomende projecten kunnen bovendien profiteren van transversale activiteiten, zoals workshops en lezingen over onderwerpen als “van lab naar fab” en batterijproductie.

Energie-impact en LCA van ALD in batterijproductie

Gematigd door Felipe Blanco Rocha (TNO): energieverbruik van high-throughput ALD versus toegevoegde waarde in termen van batterijprestaties en CO₂-reductie door ultradunne lagen.

Duurzaamheidsanalyses van opkomende technologieën zijn vaak beperkt van scope en slecht gedocumenteerd. Dit geldt zeker voor berekeningen rond de adoptie en impact van ALD-processen in batterijen. Naast de neiging om snel te concluderen dat een ALD-proces per definitie groener is dan nat-chemische processen, blijft onduidelijk welk deel van de CO₂-voetafdruk van grondstoffen daadwerkelijk wordt meegenomen in deze analyses.

Vaak worden alleen het energieverbruik en de basisprocesstappen beschouwd, terwijl bijproducten, efficiëntie van precursorverbruik en het gebruik of de recycling van draaggassen buiten beschouwing blijven. LCA-studies zouden daarom verbreed moeten worden en ingezet moeten worden om een samenhangende boodschap te ontwikkelen die de voordelen van ALD in batterijtoepassingen duidelijk onderbouwt. Tot slot zou LCA niet als een losstaande, parallelle studie moeten worden uitgevoerd, maar actief richting moeten geven aan de implementatie van ALD-processen of -tools in toekomstige batterijproductielijnen.

Businesscase(s) voor ALD

Gematigd door Mahmoud Ameen (TechMatter BV): wat is de toegevoegde waarde van sALD voor batterijprestaties ten opzichte van de benodigde extra investering in een sALD-tool en de mogelijke verlaging van de CO₂-voetafdruk?

De toegevoegde waarde van ALD moet eerst helder worden gedefinieerd, met als doel besparingen in batterijproductiekosten te realiseren die groter zijn dan de extra investering. Een businesscase is niet iets wat je simpelweg vindt, maar iets wat je opbouwt door de toegevoegde waarde van een ALD-processtap in een batterijproductielijn te identificeren.

Het ontwikkelen van deze businesscase vereist aandacht voor verschillende stappen: het herkennen van een uitdaging, variërend van het vereenvoudigen van delen van de productielijn tot het verhogen van uptime, verbeteren van veiligheid of het vergroten van energie- en materiaalonafhankelijkheid, en het identificeren van de primaire klant die de ALD-CapEx zal dragen, of dat nu de elektrodenleverancier of de celfabrikant is. ALD zal waarschijnlijk eerst een rol spelen aan de anodezijde.

Voor grafietanodes zal de primaire klant waarschijnlijk de celfabrikant zijn, aangezien ALD invloed kan hebben op de formatietijd. Voor lithium-metaalanodes geldt hetzelfde, vanwege de hoge reactiviteit van lithiummetaal. Voor kathodes is het lastiger te voorspellen waar ALD-toepassingen een businesscase kunnen opleveren, waardoor het noodzakelijk is de ontwikkelingsroadmaps van kathodes nauwgezet te volgen.

High-throughput en efficiënte ALD-processen

Gematigd door Paul Poodt (SparkNano & TU/e): opkomende en veelbelovende tools voor inline detectie in high-throughput ALD.

Een van de belangrijkste uitdagingen bij het overzetten van een ALD-recept van een 2D vlak substraat naar een 3D-, hoog-oppervlak- of poreus substraat is het ontbreken van geschikte in situ diagnostiek om filmgroei te detecteren en de conformiteit en uniformiteit te beoordelen. Momenteel brengen veel studies bewust relatief dikke ALD-lagen aan op elektroden, zodat deze detecteerbaar zijn met technieken zoals SEM/EDX voor morfologie en elementanalyse. Alternatieve methoden, zoals XRF voor elementdetectie en QCM voor massaverandering, kunnen ook worden toegepast, al varieert hun gevoeligheid afhankelijk van de chemische elementen.

Hieraan nauw verwant is de noodzaak om geschikte ALD-processen te ontwikkelen voor 3D- en hoog-oppervlaksubstraten, terwijl tegelijkertijd een efficiënt gebruik van precursors en co-reactanten wordt gewaarborgd, met aandacht voor throughput en CoO- en LCA-overwegingen. Procesoptimalisatie vereist doorgaans feedbackloops voor de toevoer en verdamping van precursors en co-reactanten, bijvoorbeeld door concentraties vóór en na chemisorptie op het substraatoppervlak te monitoren.

Het oplossen van deze uitdagingen is essentieel om een ALD-proces te realiseren dat reproduceerbaar is qua laageigenschappen voor een gegeven substraat of elektrode, en tegelijkertijd flexibel genoeg blijft in procesparameters om rekening te houden met verschillende substraat- of elektrode-eigenschappen.

Naast het beheersen van ALD-procesontwikkeling voor een specifiek substraat, ligt de volgende uitdaging in het verifiëren van de impact op apparaatniveau. Elektrochemische karakterisatie is hierbij cruciaal, maar is niet breed beschikbaar en zeker geen routinemethode om de invloed van specifieke ALD-procesparameters op de prestaties van het uiteindelijke device te beoordelen.

 

Dit artikel is afkomstig van NXTGEN Hightech
Door: Adriana Creatore