Evaluierung fortschrittlicher Festkörperbatteriekonzepte mit hoher Sicherheit und Leistung

Oxid-basierte Festkörperbatterien haben meist dicke Elektrolyte, um die nötige mechanische Stabilität der Zelle gewährleisten zu können, und nur dünne Kathoden, welche mittels gepulster Laserdeposition (PLD) oder Sol-gel-Beschichtung abgeschieden werden. Zwar kann mit solchen Zellen die elektrochemische Aktivität nachgewiesen und untersucht werden, jedoch ist die Energiedichte sehr gering. Die Performanz herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen mit flüssigen Elektrolyten kann mit diesem Zelltyp nicht erreicht werden und die Herstellung von Zellen mit hochkapazitiven Mischkathoden ist daher zwingend notwendig, um die Konkurrenzfähigkeit zu demonstrieren.

Anders als bei sulfidischen Systemen muss bei Oxiden ein Hochtemperatur-Sinterschritt erfolgen, um eine gute Kontaktfläche zwischen Festelektrolyt und Kathodenaktivmaterial zu erzeugen. In den meisten Fällen sind bei diesen erhöhten Temperaturen chemische Reaktionen zwischen den Materialien zu beobachten, teilweise schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen als der Zersetzungstemperatur der reinen Materialien.

Die Ziele des Jülicher Teilprojektes sind daher die Synthese keramischer Festelektrolyte sowie deren Optimierung für die Anwendung in Mischkathoden und den verschiedenen Zellkonzepten. Speziell die Kombination der Festelektrolyte mit Polymeren und Kathodenaktivmaterialen soll untersucht werden. Dabei wird in diesem Teilprojekt die gesamte Prozesskette – von der Materialsynthese über die Herstellung von Komponenten und Zellen bis zu Zelltests – in Kollaboration mit den taiwanesischen und deutschen Partnern abgedeckt.

Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Optimierung des Festkörperelektrolyten einerseits für den Einsatz in gemischten Kathoden, andererseits für die Anwendung in polymerbasierten Festkörperzellen, die von den Projektpartnern aufgebaut werden. Zu den Aufgaben gehören hier die Entwicklung neuer Synthesewege für keramische Pulver mit optimierter Nano- oder Mikrostruktur, die Analyse der physikalischen, chemischen und elektrochemischen Eigenschaften und der Partikelmorphologie sowie die Bewertung ihrer Zuverlässigkeit bzw. Stabilität.

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist der Aufbau einer Zelle mit verbesserter Architektur, um die Energiedichte zu erhöhen und die Grenzflächenwiderstände zu verringern. Eine selbsttragende Mischkathode soll entwickelt werden, sodass die resultierende Zelle Energiedichten erreicht, welche im Bereich heutiger kommerzieller LIB liegen. Für die ausgewählten Festelektrolyte und Kathoden sind hierfür mehrere Kriterien zu berücksichtigen: besonders die chemische Beständigkeit bei bzw. nahe bei deren Verarbeitungs- bzw. Sintertemperatur, Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Lithium-Ionen- als auch elektronische Leitfähigkeit und geringe Volumenänderungen beim Lade-Entlade-Zyklieren. Zur Herstellung von Vollzellen werden dann ein dünner Festelektrolyt (Polymer oder Glas- bzw. Keramik-Dünnschicht) und eine metallische Lithium-Anode verwendet, um die Energiedichte weiter zu maximieren.

Im Rahmen des Teilprojekts wird die praktisch erreichbare Energiedichte der produzierten Polymer-Keramik-Hybrid-Batterie und der keramischen Festkörperbatterie evaluiert. Bei positiver Bewertung kann somit ein Beitrag zur weiteren Verbesserung von Festkörperbatterien geleistet werden.

Die Ergebnisse werden in Statusberichten und wissenschaftlichen Publikationen in Fachzeitschriften zusammengefasst. Wissenschaftlicher Nachwuchs wird mit Prozessen zur Herstellung von Festkörperelektrolyten und Zellen sowie der theoretischen und experimentellen Analyse von Batterien vertraut gemacht. Die F&E-Aktivitäten tragen zum Aufbau und Erweiterung von Know-how auf dem Gebiet von Lithium-Ionen-Batterien mit Festkörperelektrolyten bei.

Im Einklang mit der Anschlussfähigkeit des Gesamtprojektes gilt auch für dieses Teilprojekt, dass die deutsche und die taiwanesische Wissenschaft, vor allem auf den Gebieten der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung, nachhaltig gestützt werden kann.