Skalierbare, kostengünstige Fertigungstechnologien für Kompositkathoden und Elektrolytseparatoren in Festkörperbatterien

Ziel von ARTEMYS ist die Erforschung von Festkörperbatterien – im Speziellen mit Lithiummetall-Anode – und die Beurteilung, ob sich großtechnische Herstellungsverfahren für die verschiedenen Zellkomponenten realisieren lassen. Im Teilprojekt des BELLA am KIT steht dabei die Untersuchung möglicher Degradationsprozesse von Festelektrolyten und Kathodenaktivmaterialien sowie deren Komposite (d. h. Stabilität gegenüber mechanischer und chemischer Beanspruchung) im Fokus.

Die Motivation für das Teilprojekt leitet sich aus aktuellen Problemstellungen von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zukünftiger Generationen sowie sulfidischen Keramiken und Gläsern ab. Im Gegensatz zu konventionellen LIB mit flüssigem Elektrolyten können lokale volumetrische Änderungen in Festkörperbatterien nur bedingt bzw. nicht kompensiert werden, was zu irreversiblen Schäden in den Elektrodenschichten und Kontaktverlust führen kann. Darüber hinaus kann sich die Hydrolyseempfindlichkeit sulfidischer Festelektrolyte stark auf die Zellperformance und -lebensdauer auswirken und ferner zu unerwünschten Gasungsphänomenen führen. Beide Probleme bilden die zentralen Fragestellungen des vorliegenden Teilprojekts.

BELLA übernimmt in ARTEMYS die Analyse von Degradationsmechanismen sulfidischer Festelektrolyte und Kompositelektroden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt im Wesentlichen auf der Entwicklung und dem Einsatz zweier In-situ- bzw. In-operando-Methoden (differentielle elektrochemische Massenspektrometrie und Röntgendiffraktometrie).

Mit Untersuchungen zur Stabilität der Elektrodenmaterialien widmet sich das Teilprojekt wichtigen Fragestellungen des Gesamtvorhabens. Ziel ist es, den Einfluss des Festelektrolyten auf die mechanische Veränderung des Aktivmaterials aufzuklären und Lösungen für den Umgang mit Volumeneffekten in Festkörperbatterien zu erarbeiten. Deshalb stellen Untersuchungen zum Verständnis der elektro-chemo-mechanischen Kopplung der Materialien ein zentrales Thema des Teilvorhabens dar. Zudem wird sich BELLA mit der Erforschung der Hydrolyseempfindlichkeit sulfidischer Festelektrolyte und deren Kompositelektroden beschäftigen. Aus den gewonnen Erkenntnissen sollen Vorschläge für die Optimierung der Kathodenmaterialien und Festelektrolyte sowie der Zyklisierungsparameter abgeleitet werden.

Darüber hinaus wird sich BELLA mit der Charakterisierung sulfidischer Festelektrolyte und der Prozessierung von Elektroden für Festkörperbatterien sowie dem Bau und der elektrochemischen Testung von Laborzellen befassen. Dadurch soll ein grundlegendes Verständnis der Materialeigenschaften und deren Einfluss auf die Zellfunktion entwickelt werden. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen soll eine Beurteilung der chemischen und mechanischen Stabilitätsgrenzen der Materialien während der Zellherstellung und im Betrieb erfolgen.

Das Gesamtvorhaben ist mit seiner starken Industriebeteiligung klar auf wirtschaftlichen Erfolg ausgerichtet. Das Teilvorhaben des BELLA am KIT wird daran – durch die geplanten Untersuchungen – starken Anteil haben. Die Studien zur Gasung und strukturellen Stabilität zielen auf Aspekte der Entwicklung von Festkörperbatterien ab, die bisher kaum oder gar nicht Gegenstand systematischer experimenteller Arbeiten an realistischen Voll- oder Halbzellen waren. Bereits jetzt hat BELLA mit seinen Untersuchungen zur Stabilität von NMC-Materialien wichtige Beiträge zur weiteren Verbesserung von Kathoden für LIB geliefert. Die Untersuchungen werden wichtige Erkenntnisse über die verschiedenen Materialien im Zellverbund liefern und damit Anstöße für Materialmodifikationen und -neuerungen geben und den industriellen Partnern Hinweise für nötige Verbesserungsschritte auf dem Weg zur kommerziellen Umsetzung von Festkörperbatterien geben.

Eine eigene wirtschaftliche Verwertung im Sinne einer Produktion von Materialien oder Komponenten strebt das KIT als Lehr- und Forschungseinrichtung nicht an. Wie aber schon in der Vergangenheit lassen sich innovative Konzepte gemeinsam mit industriellen Partnern (z. B. der BASF SE) weiterverfolgen. Damit hat das Teilvorhaben des KIT zwei wirtschaftliche Stoßrichtungen: Zum einen liefert das Projekt wichtige Daten für die Verbesserung von Festkörperbatterien, was den wirtschaftlichen Gesamterfolg des Konsortiums sichert. Zum anderen gewinnt das KIT durch das Projekt zusätzliche spezielle Erkenntnisse und Erfahrungen, die für zukünftige Projekte nützlich sein können.