Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Die Verfügbarkeit von aufladbaren Batteriespeichern mit exzellenter Performance wird in Zukunft eine immer größere Rolle in der technischen Entwicklung und in der Realwirtschaft einnehmen. Dies steht im Zusammenhang mit dem teilweisen oder vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe für mobile Anwendungen sowie der verstärkten Nutzung von regenerativen Energiequellen, die durch die aktuellen Diskussionen rund um die Nutzung der Kernkraft noch weiter an Bedeutung gewonnen haben.

Für den Technologiestandort Deutschland ist es wichtig, die im Zusammenhang mit Batteriespeichern stehende Wertschöpfungskette vollständig abzubilden, wobei hier vor allem der Material-, Komponenten- und Zellentwicklung eine besondere Rolle zukommt. Das übergreifende zentrale Ziel des Verbunds MEET Hi-EnD ist es, durch Fokussierung auf eine Auswahl neuer Materialien einen klaren Fortschritt auf dem Weg zur nächsten Generation von Lithium-Batterien mit deutlich erhöhter Energiedichte zu erreichen. Angestrebt wird eine Verfünffachung als Voraussetzung für den breiten Einstieg in die Elektromobilität.

Um den Übergang zu Batteriesystemen mit höherer Energiedichte zu ermöglichen, ist jedoch die Entwicklung neuer Elektroden- und Elektrolytmaterialien notwendig. Bei den bisher in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten oxidischen Kathodenmaterialien ist die Lithiumeinlagerung auf maximal ein Lithiumatom pro Formeleinheit des Aktivmaterials begrenzt. Eine vielversprechende Materialklasse zur Realisierung von Hochkapazitätskathoden sind nanostrukturierte, hochporöse Einlagerungsmaterialien, die deutlich höhere maximal realisierbare Lithium-Gehalte im „überstöchiometrischen“ Konzentrationsbereich erlauben, ohne dass nachteilige strukturelle Änderungen auftreten. Als Anodenmaterial für Hochenergiebatterien würde sich Lithiummetall aufgrund der hohen spezifischen Kapazität am besten eignen.

Jedoch können die klassischen organischen Flüssigelektrolyte der Lithium-Ionen-Technologie nicht in Kombination mit Lithiummetall-Anoden und Kathoden mit hoher Lithiumkapazität eingesetzt werden. Daher ist die Entwicklung neuer Elektrolytkonzepte notwendig. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Elektrolyten auf Basis von ionischen Flüssigkeiten. Attraktiv an solchen Elektrolyten ist neben der hohen chemischen und thermischen Stabilität die erhöhte Sicherheit.

Die Aktivitäten des Teilprojekts des KIT (HIU) sind standortübergreifend in die WING-Zentren I und III des Projekts MEET Hi-EnD integriert. Der Inhalt des Teilprojektes ist die Entwicklung neuer und verbesserter Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte sowie der Einsatz und die Etablierung dieser Materialien in der Zellfertigung. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten, sowie der Synthese nanostrukturierter, hochporöser Kathoden mit hoher spezifischer Kapazität. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung der Materialien für Zelltests und der elektrochemischen Charakterisierung.

Bei den Elektrolytsystemen ist die Herstellung angepasster ionischer Flüssigkeiten ein zentraler Punkt. Durch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten sind die für Hochenergiebatterien gewünschten Eigenschaften wie hohe thermische Stabilität, niedriger Dampfdruck, sehr gute Leitfähigkeit und ausgezeichnete elektrochemische Stabilität erreichbar. Dabei steht die gezielte Entwicklung neuer ionischer Flüssigkeiten mit erhöhter Lithiumlöslichkeit durch die Verwendung bereits etablierter Syntheseprozeduren im Vordergrund. Diese sollen neben einer hohen Löslichkeit für Lithium auch einen schnellen Transport ermöglichen.

Auf der Kathodenseite ist die Synthese, Charakterisierung und Optimierung von nanostrukturierten, hochposören Einlagerungsmaterialien wie Aero- und Xerogelen auf Basis von Vanadiumoxidsystemen der Hauptfokus. Durch die stabile, poröse Struktur der Oxidkathoden können höhere Lithiumeinlagerungskapazitäten erreicht werden. Dies eröffnet die Möglichkeit hohe Energiedichte und hohe Leistung effektiv miteinander zu kombinieren.

Unter Verwendung der von Projektpartnern entwickelten und zur Verfügung gestellten Materialien werden mit der am KIT (HIU) vorhandenen Produktionstechnologie Zellen gefertigt und getestet. Dadurch soll die Material- und Zellentwicklung in Hinblick auf die praktische Umsetzbarkeit und Anwendbarkeit der einzelnen Komponenten optimiert sowie eine standardisierte Zellherstellung zur anschließenden systematischen Untersuchung der Eigenschaften erreicht werden.

Das in diesem Teilprojekt entwickelte Zellkonzept vereint die Vorteile der Verwendung von Kathodenmaterialien mit hoher Lithiumkapazität und Elektrolyten mit verbesserter thermischer und (elektro)-chemischer Stabilität sowie erhöhter Sicherheit. Die poröse Struktur der Einlagerungsmaterialien ermöglicht es dem Elektrolyten, weit in die Kathodenstruktur zu penetrieren. Zusätzlich wird durch die spezielle bandähnliche Morphologie der Vanadiumoxidaerogele der Diffusionspfad der interkalierten Ionen minimiert.

Der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in dieser Zellchemie führt nicht nur zu einer Verbesserung der Langzeitzyklenstabilität, sondern ermöglicht auch die Anwendung dieser Systeme bei Temperaturen über Raumtemperatur. Dadurch benötigen die vorgeschlagenen Zellen im Gegensatz zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien keine zusätzliche Kühlung. Dies ermöglicht die Einsparung von Kosten bei der Implementierung dieser Zellen in ein Batteriesystem. Zusätzlich kann durch die entwickelte Elektrodenprozessierung auf die Verwendung giftiger und gefährlicher Chemikalien verzichtet werden. Der Einsatz ionischer Flüssigkeiten führt des Weiteren zu einer Verbesserung der Recyclierbarkeit der Elektrolyte.

Durch die Kombination der beiden neu entwickelten Komponenten können Hochenergiespeichersysteme mit verbessertem Zyklisierverhalten und erhöhter Sicherheit realisiert werden, die auch im Hinblich auf Umweltfreundlichkeit Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik der wieder aufladbaren elektrochemischen Energiespeichersysteme aufweisen.