Festelektrolyte als Enabler für Lithium-Zellen in automobilen Anwendungen

In dem Projekt sollen Festelektrolyte für Festkörperzellen etabliert werden. An Sekundär-Batterien mit Festelektrolyten werden hohe Erwartungen geknüpft: gesteigerte Energiedichte, erhöhte Lebensdauer und Sicherheit, geringe Selbstentladung, Verwendung von neuen Aktivmaterialien (Konversionsmaterialien und 5-V-Kathodenmaterialien). Die Leitfähigkeit von Festelektrolyten ist dagegen eine Entwicklungsherausforderung. Die Reduktion der teilweise großen Widerstände an den Grenzflächen ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt, der weiterer Optimierung bedarf und bisher häufig nicht im Fokus der Forschung stand.

Ziel des Forschungszentrums Jülich ist hierbei die erfolgreiche Verfahrensentwicklung von oxidischen Festkörperelektrolyten, die Integration verschiedener Werkstoffe zu einer Festkörperbatterie sowie deren elektrochemische Charakterisierung.

Die in diesem Projekt erreichten Ergebnisse können maßgeblich dazu beitragen, die Batterieforschung im Forschungszentrum Jülich zu stärken und wesentliche Kompetenzfelder bei der Entwicklung von Festkörperbatterien zu besetzen. Langfristig will sich das Forschungszentrum Jülich mit diesem Aufgabenspektrum als kompetenter Partner für die deutsche Batterie- und Automobil-Industrie etablieren, um bei der Weiterentwicklung und Kommerzialisierung von aussichtsreichen Zellkonzepten eine unverzichtbare Rolle als Entwicklungspartner zu spielen.

Die Weiterentwicklung und Charakterisierung anorganischer sowie auch polymerer Festkörperionenleiter zum Verbau in der FELIZIA-Zelle ist der zentrale Punkt der Arbeiten in diesem Teilprojekt. Hier erfolgt die tiefergehende Erforschung und Anpassung oxidischer Festkörperionenleiter bezüglich Ionenleitfähigkeit, Lithiummetall-Stabilität, Grenzflächenwiderstand, Verbau-Morphologie und ggf. Duktilität.

Zunächst werden einzusetzende Materialsets definiert und eine Zusammenfassung und Evaluierung der Eigenschaften der Materialien sowie eine Bewertung des Reifegrades der Materialien und Zellen durchgeführt. Das Elektrodendesign wird basierend auf den Ergebnissen der Materialeigenschaften, Grenzflächeneigenschaften und Ergebnissen von Simulationen erstellt und erfolgt wie die Definition der Materialsets iterativ. Im Zelldesign inbegriffen sind neben dem Aufbau einer einzelnen Schicht (Kathode – Separator – Anode) auch die Anordnung der Schichten innerhalb einer Zelle und damit eine Analyse der Verschaltung der einzelnen Schichten.

FZJ-HI MS übernimmt federführend die Erprobung verschiedener Herstellungsrouten sowie eines Teils der Tests an Elektroden und Zellen. Als Nachweis der Machbarkeit und zur Demonstration des Potenzials von Festkörperbatterien mit dicken Elektroden wird eine komplette Batterie mit mindestens drei funktionierenden Wiederholeinheiten am Ende des Projekts hergestellt, die eine Energiedichte von >800 Wh/L erreichen soll. Die Lebensdauer der Zellen soll auf 100 Zyklen abzielen.

Die Festkörperbatterien sollen das Potenzial haben, in ihren einzelnen Eigenschaften mindestens die durch die nationale Plattform für Elektromobilität definierten Ziele für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien für die Jahre nach 2020 zu erfüllen. Mit dem Teilvorhaben wird ein Beitrag geleistet, um den Vorsprung für Deutschland als Technologiestandort für zukünftige Batteriegenerationen zu sichern. Das in diesem Projekt generierte Kernwissen wird nachhaltig zur politischen und wirtschaftlichen Zielsetzung beitragen, Deutschland zum Leitanbieter der Elektromobilität zu machen.

Bei positiven Ergebnissen in Hinblick auf Funktionsfähigkeit und Kennzahlen der Festkörperbatterien und einer positiven nachfolgenden Übertragung auf industrielle Anlagen zur Zellfertigung, könnte die hier erforschte Technologie einen Einsatz im Bereich Elektromobilität finden. Dabei beinhalten Festkörperzellen aus heutiger Sicht das Potenzial, Elektrofahrzeuge mit erheblich vergrößerter Reichweite auszustatten.

Die in Festkörperbatterien gegenüber Standard-Lithium-Ionen-Zellen erhöhte Sicherheit ist für Zellen mit erhöhter Energiedichte notwendig, da höhere Energiedichten generell aufgrund des größeren Energieinhalts zu einer Steigerung des Risikos führen. Zudem weisen Festkörperzellen theoretisch eine erhöhte Lebensdauer auf, was zu einer deutlichen Kostenreduktion führen kann.