Innovative Festkörperbatterien auf Basis von Sol-Gel-Materialien mit Lithium-Metallanode und implementierter 3D-Strukturierung

Die Ziele des Teilvorhabens “Sol-Gel basierte Kathoden- und Elektrolytforschung” sind der Aufbau von Material- und Prozesskompetenz im Bereich der Festkörperbatterien.

Hierzu zählen die Synthese und Applikation von elektrochemisch aktiven Kathodenschichten sowie ein darauf appliziertes Elektrolytsystem via Sol-Gel Verfahren. Ziel ist es dabei Kathodenschichtdicken von bis zu 5 µm und geringer Porosität mit ausreichender elektronischer und ionischer Leitfähigkeit herzustellen. Die darauf applizierte Elektrolytschicht (Dicke ca. 1 µm) muss ebenfalls durch eine hohe ionische Leitfähigkeit bei geringer Porosität und elektronisch isolierendem Verhalten ausgezeichnet sein. Ein entscheidender Faktor beim Zusammenspiel beider Schichten ist die Ausbildung von internen Grenzflächen bei der Krisallisation beider Schichtsysteme, die Materialsysteme Kathode und Elektrolyt müssen hierfür aufeinander abgestimmt werden. Durch Strukturierung der Stromableiter- und Kathodenschicht mittels skalierbarer Imprintverfahren soll die Grenzfläche vergrößert und somit die Unvereinbarkeit hoher Leistungs- mit hoher Energiedichte reiner Festkörperansätze gelöst werden.

Prozesstechnisch sollen die Beschichtungsverfahren vom Labormaßstab (d.h. Tauchbeschichtung auf Glassubstraten) auf kontinuierliche Prozesse und wickelbare Substrate (R2R-Prozesse) übertragen und neue Kristallisationsverfahren evaluiert werden.

Zu Beginn steht die Synthese von geeigneten Kathoden- und Elektrolytsolen im Fokus. Diese werden anhand von Einzelschichten auf Glassubstrate appliziert und morphologisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Diese bilden auch die Basis für die Strukturierungs- und Kristallisationsaktivitäten der Projektpartner. Nach deren Funktionstüchtigkeit wird der Kathoden-Elektrolyt-Stack erforscht und die Schichtdicke v.a. der Kathoden optimiert. Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Integration von kristallinen Partikeln in sowohl Kathoden- als auch Elektrolytsole um die Schichtdicke und Leitfähigkeit zu erhöhen. Zusammen mit der Anodenentwicklung wird eine stabile Grenzfläche zur Li-Metall Anode erforscht. Gegen Ende dieses Vorhabens sollen alle Prozesse auf kontinuierliche Prozesse übertragen werden.

Ein wichtiger Forschungsaspekt für die Strukturierung der Stromableiter- und Kathodenschicht ist herauszufinden, welche Struktureigenschaften letztendlich vorteilhaft sind. Hierzu sollen Strukturen mit einer Periodizität von 300 nm bis 1 µm auf Glassubstraten einer Fläche von 150 x 150 mm² aufgebracht und untersucht werden. Je nach Zusammensetzung der synthetisierten Materialien müssen zudem Aspekte wie Strukturtreue der Abformungen beziehungsweise Effekte wie der Schrumpf der Materialien beim Sintern untersucht werden.

Die aus diesem Vorhaben erworbenen Material- und Prozesskompetenz auf dem zukunftsträchtigen Forschungsthemenfeld Festkörperbatterie soll nach Projektende zusammen mit den Verbundpartnern genutzt werden, um dem Ziel einer Kommerzialisierung näher zu kommen. Zudem sollen die Ergebnisse verwendet werden, um weitere FuE-Projekte mit anderen Material- und Batterieherstellern zu akquirieren. Fraunhofer plant aufgrund dieser Ausgangslage mit mindestens fünf zusätzlichen qualifizierten Kundenanfragen pro Jahr.

Auch das Generieren von gemeinsamen Schutzrechten soll in diesem Themengebiet angestrebt werden.

Eine wissenschaftliche Verwertung nach Projektende soll zum einen in Form von sich aus dem Projekt ergebenden neuen Fragestellungen und darauf aufbauenden Forschungsaktivitäten erfolgen. Zum anderen sollen vorwettbewerbliche, wissenschaftliche Projektergebnisse in Form von Publikationen und Präsentationen bereits während und im direkten Anschluss an das Projektende veröffentlicht werden. Geplant ist der Besuch von nationalen Batteriekonferenzen und einer europäischen Batteriekonferenz während der Projektlaufzeit und der Veröffentlichung von mehreren Artikeln in wissenschaftlichen Fachzeitschriften.