Umweltfreundliche Hochenergie-NMC-622-Kathoden mit optimierter Speicherkapazität/ High-Load-Kathoden

Die Performance von sekundären Lithium-Ionen-Batterien wird maßgeblich vom Aufbau der Batteriezelle und den dabei verwendeten Elektrodenmaterialien bestimmt. Auf Basis eines Modells unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) soll das Diffusionsverhalten und die Aktivmaterialausnutzung in High-load-Elektroden untersucht und so, unter Einhaltung definierter Randbedingungen, optimale Elektrodenstrukturen gefunden werden. Die Modellparameter (Partikelgröße, Elektrodendicke, Porosität, Morphologie) werden dazu hinsichtlich eines Elektrodendesigns für maximale Energiespeicherdichte optimiert. Dadurch soll wiederum eine signifikante Reduktion iterativer Schritte bei der praktischen, empirischen Optimierung erzielt werden.

Ein weiteres Arbeitsziel besteht im Aufbau eines grundlegenden und detaillierten Verständnisses der elektrochemischen Eigenschaften der hergestellten High-load-Elektroden unter Verwendung fortgeschrittener elektroanalytischer Methoden. Dabei gilt es, zum einen limitierende Prozesse und damit verbundene Optimierungspotenziale zu identifizieren und zum anderen kinetische Parameter zu ermitteln, welche wiederum in die Modellbildung einfließen, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern. Dieses iterativ wechselseitige Zusammenspiel zwischen theoretischer Modellbildung, experimenteller Validierung und Mechanismenaufklärung von Hoch-Energie-NCM-622-Kathoden soll in Kooperation mit den Verbundpartnern die Herstellung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen, was wiederum Basis für eine wissensbasierte, und dadurch effektive und zielgerichtete Elektrodenfertigung ist.

Die komplexen Zusammenhänge zwischen Elektrodendesign und Elektrolyt-Diffusionsverhalten in porösen Interkalationselektroden sollen anhand eines einfachen elektrochemischen FEM-Modells beschrieben werden. Das bestehende Modell soll im Projekt weiterentwickelt werden, um gezielt technologische Vorgaben für High-load-Elektroden abzuleiten. Hierzu wird ein umfangreiches Parameterscreening zur Evaluierung der Signifikanz der einzelnen Parameter auf die Performance von High-load-Elektroden durchgeführt. Die Ergebnisse der Modellrechnungen werden genutzt, um die Anzahl iterativer Schritte bei der praktischen Ermittlung des optimalen Elektrodendesigns signifikant zu reduzieren. Es erfolgt daher eine enge Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern Fraunhofer IKTS und Fraunhofer ISIT.

Die Modellrechnungen erlauben einen quasi mikroskopischen Einblick in die ablaufenden Prozesse während des Ladens und Entladens (z. B. Konzentrationsverteilung), welcher mit experimentellen Methoden nicht zugänglich ist. Die Vorhersagen des Modells (z. B. Elektrolytverarmung) können über geeignete elektroanalytische Methoden validiert und ggf. angepasst werden.

Die von den Verbundpartnern hergestellten High-load-Elektroden werden mittels Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT) und Elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht, um kinetische und thermodynamische Eigenschaften der elektrochemischen Systeme zu erfassen, Mechanismen aufzuklären sowie Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu identifizieren. Aufgrund der erhöhten Komplexität von porösen Interkalationselektroden im Vergleich zu bspw. planaren Metall-Ionen-Elektroden wurde an dieser Stelle intensiv in die Methodenentwicklung investiert. Als Resultat steht ein umfassender Methodenpark gepaart mit Modellbildung und entsprechenden mathematisch-technischen Analysemöglichkeiten zur Verfügung. Diese Werkzeuge erlauben u. a. die Identifikation limitierender Prozesse in der Elektrode und bilden damit die Basis für eine zielgerichtete Optimierung.

Der zukünftige Bedarf an effizienten und dynamisch belastbaren Energiespeichern mit hoher Energie- und Leistungsdichte, Zyklenstabilität etc. ist aufgrund der absehbaren Erschöpfung fossiler Energieträger unumstritten. Potenzielle Anwendungsbereiche für Batterien mit Hochenergieelektroden erstrecken sich von der Elektromobilität über den Einsatz zur Speicherung regenerativer Energien bis hin zur Netzstabilisierung. Alternative, effizientere Routen und Technologien zur kosteneffizienten Herstellung von High-load Elektroden für Lithium-Batterien sind daher für Hersteller und Anwender von Batteriesystemen sowie für Zulieferer höchst interessant.

Die im Teilvorhaben generierten mathematisch-technischen Werkzeuge haben darüber hinaus das Potenzial, zukünftig auch in anderen Bereichen elektrochemischer Energiespeichertechnologien (Brennstoffzelle, SuperCaps, „beyond lithium“-Technologien) eingesetzt und entsprechend wirtschaftlich verwertet zu werden. Mit dem erarbeiteten Wissenstand (messmethodisch und simulativ) können FuE-Projekte im Rahmen dieser Technologien unterstützt werden, um die jeweils angestrebten Entwicklungsziele im Bereich Energiespeicherung wissensbasiert und damit wesentlich schneller zu realisieren.