Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Im Teilprojekt sollen in Kooperation mit den Partnern Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ), Westfälische Wilhelms-Universität Münster und Mie University wasserbasierte Lithium-Luft-Zellen auf Basis eines LTAP-Dünnschichtelektrolyten entwickelt werden.

Eine Voraussetzung für die Entwicklung einer derartigen Lithium-Luft-Zelle ist das Verständnis der Transportvorgänge im Elektrolyten, der Einfluss von Defekten und Korngrenzen sowie Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Elektroden. Die Impedanzspektroskopie, ein Forschungsschwerpunkt am KIT IAM-WET ist das Mittel der Wahl, um diese Zusammenhänge zu untersuchen. Modelle, die den Lithiumtransport im Festelektrolyten wie auch über die Grenze Festelektrolyt/Elektrode beschreiben, sollen entwickelt und validiert werden.

Die in den Elektroden ablaufenden elektrochemischen Prozesse sollen durch Impedanzmessungen an Halb- und Vollzellen und die Auswertung der Impedanzspektren über die Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten analysiert werden. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden Modelle entwickelt, die quantitative Aussagen über den Anteil der einzelnen elektrochemischen Prozesse am Innenwiderstand der Zelle ermöglichen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Fragestellung sollen sowohl homogenisierte als auch ortsaufgelöste FEM-Mikrostrukturmodelle eingesetzt werden.

Das wissenschaftliche Ziel der Arbeiten am KIT IAM-WET ist ein Zellmodell für Lithium-Luft-Zellen, welches Vorhersagen über Kapazität und Innenwiderstand einer Zelle in Abhängigkeit von materialspezifischen und mikrostrukturellen Kenngrößen und dem gewählten Zellaufbau ermöglicht. Durch Simulationsrechnungen mit entsprechenden Parametervariationen soll der Einfluss der verschiedenen Parameter analysiert werden. Ferner sollen Designrichtlinien für Lithium-Luft-Zellen abgeleitet werden. Diese fließen in die Entwicklung leistungsfähiger Elektrolyt- und Elektrodenstrukturen ein, die eine signifikante Verbesserung der Leistungsdichte und Zyklenstabilität der Lithium-Luft-Zelle erwarten lassen.

Am KIT IAM-WET wurden drei Arbeitsschwerpunkte verfolgt:

1. Experimentelle Untersuchungen und Modellierung von Festelektrolyten:

Es wurden Festelektrolyte unterschiedlicher Zusammensetzung mittels Impedanzspektroskopie untersucht. Zur Erfassung der Bulkleitfähigkeit wurde ein Hochfrequenz-Impedanzmessplatz (fmax = 3 GHz) entwickelt. Dieser Aufbau erlaubt eine Messung der Bulkleitfähigkeit unter Verwendung blockierender Elektroden. Um bei der Bestimmung von niederfrequenten Korngrenzwiderständen keinen Einfluss der blockierenden Elektroden zu überlagern, wurde eine neu entwickelte Interface-Zelle eingesetzt.

2. Experimentelle Untersuchungen und Modellierung von Lithium-Luft-Zellen:

Neben der Analyse der verwendeten Einzelkomponenten wurden auch die vorhandenen Grenzflächen auf Stabilität, sowie deren Grenzflächenwiderstand untersucht. Um dies ohne Überlagerung anderer Prozesse zu ermöglichen, wurde ein Aufbau entwickelt (Interface-Zelle), der eine experimentelle Untersuchung von Festelektrolyt/Flüssigelektrolyt-Grenzflächen ermöglicht. Basierend auf diesem Setup konnten die entsprechenden Grenzflächenwiderstände und deren Zeitkonstanten in Abhängigkeit von Parametervariationen (z. B. Temperatur und Ladezustand) mittels Impedanzspektroskopie bestimmt werden. Die gemessenen Spektren wurden mit Hilfe von geeigneten Ersatzschaltbildmodellen ausgewertet, um die Prozesse und deren Abhängigkeit entsprechend zu quantifizieren. Mit Hilfe dieser Parameter wurde ein Modell aufgestellt, das eine Vorhersage der Zellimpedanz unter Berücksichtigung von Mikrostrukturparametern ermöglicht.

3. Kooperation und Know-how-Transfer:

Ein weiterer wichtiger Baustein des Projektes lag in der Zusammenarbeit zwischen japanischen und deutschen Wissenschaftlern. Im Rahmen mehrerer Gastaufenthalte erfolgte ein intensiver wissenschaftlicher Austausch im Hinblick auf die Synthese von Komponenten für Lithium-Luft-Zellen, den Aufbau von Vollzellen sowie Impedanzanalyse und Mikrostrukturrekonstruktion.

Die Lithium-Luft-Zelltechnologie ist im Vergleich zu anderen lithiumbasierten Batterietechnologien noch am weitesten von der Produktreife entfernt, besitzt aber im Hinblick auf ihre Energiedichte ein weitaus höheres Potenzial. Experimentelle Untersuchungen in Kombination mit Modellbildung und Simulation haben gezeigt, dass mit einem entsprechenden Zelldesign eine leistungsfähige Lithium-Luft-Zelle realisierbar sein sollte. Die erzielten Ergebnisse können in Folgeprojekten Designrichtlinien für die Realisierung leistungsfähiger Lithium-Luft-Zellen liefern.

Die im Rahmen des Projektes entwickelten Messverfahren ermöglichen, teilweise erstmalig in der Literatur (Interfaces), die Quantifizierung von relevanten Beiträgen (Einzelkomponenten und Interfaces) zur Gesamtperformance von Lithium-Luft-Zellen. Darüber hinaus sind diese auch auf andere elektrochemische Systeme übertragbar. So wird die Hochfrequenz-Impedanzmesstechnik bereits in der Entwicklung von All-solid-state-Batterien (BMBF-Projekt Felizia) eingesetzt, es können aber auch andere ionische und elektronische Leiter (z. B. Natrium-Ionen-Leiter und Sauerstoffmembranen) charakterisiert werden. Die im Projekt entwickelte Interface-Zelle kann für andere elektrochemische Konzepte angewendet werden, in denen Fest/Flüssig-Grenzflächen eine Rolle spielen.