Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Im Fokus dieses Teilprojektes stehen drei relevante Ansätze, welche für die Entwicklung von Lithium-Batterien der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung sind.

Ein erster Ansatzpunkt ist die Synthese und Prozessierung neuer keramischer Festelektrolyte, welche in Festkörperbatterien oder als Schutzschichten in Lithium-Luft-Batterien eingesetzt werden können. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Ausführung als dünne Schicht – z. B. mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder nasschemischer Verfahren (z. B. Sol-Gel).

Zweitens bedarf auch besonders die Luft-Kathode der Lithium-Luft-Zellen noch deutlicher Entwicklungsarbeit. Eine Verbesserung der Kohlenstoff-Matrix sowie die Einbindung verbesserter Katalysatoren für die Sauerstoff-Evolutions- und Reduktions-Reaktion (OER bzw. ORR) ist erforderlich, um anwendungsrelevante Lade- und Entladeraten zu realisieren.

Drittens ist für ein modernes und fortschrittliches Werkstoffdesign das Verständnis der zwischen den einzelnen Komponenten der Batterie ablaufenden Vorgänge und der dadurch hervorgerufenen wechselseitigen Beeinflussung der Werkstoffe von großer Wichtigkeit. Daher muss es das Ziel sein, die grundlegenden Phänomene der Strukturänderungen während des Betriebes zu verstehen und beschreiben zu können.

Verschiedene Festkörperelektrolyte der Phosphat- und Oxid-Klasse wurden synthetisiert und prozessiert. Substitutionen des keramischen Lithium-Ionen-Leiters LLZ (Li7La3Zr2O12) z. B. mittels Yttrium, Aluminium und Tantal sowie Dünnschichtabscheidungen, Funktionsschichten für Lithium-Luft-Zellen und die Verarbeitung zu Festkörper-Vollzellen wurden erfolgreich realisiert. So wurden z. B. erstmals LLZ-Dünnschichten in der kubischen Granatstruktur hergestellt und für diese eine hohe totale Lithium-Ionenleitfähigkeit im 0,0001 S/cm Bereich nachgewiesen.

Anodenseitig ist Lithium-Metall ein ideales Material, um möglichste hohe Energiedichten zu realisieren. In Lithium-Luft-Zellen mit wässrigem Elektrolyt ist allerdings eine Anodenschutzschicht unerlässlicher Bestandteil jeder Zelle und auch bei der Verwendung in Festkörperbatterien muss der Elektrolyt hinreichende Stabilität zeigen. Diese Stabilität konnte für die hergestellten Zellen und Funktionsschichten aus LLZ gezeigt werden. Abschließend wurden Hybridelektrolytkonzepte mit keramischen und polymeren Komponenten erfolgreich getestet.

Die Entwicklung von stabilen Kathoden für Lithium-Luft-Zellen, an denen die Lithium-Reduktion reversibel ablaufen kann, war auch Schwerpunkt der Untersuchungen. Zurzeit basieren die meisten Ansätze u. a. auf alpha-Mangamdioxid-Katalysatoren, für unsere Untersuchungen rückten wir jedoch die Perowskite {mit der generellen Formel (La,Sr)(Co,Fe)O3} in den Fokus. Dabei bietet sich der gesamte Phasenraum dieser Verbindungen als Untersuchungsgebiet an. Maximierung der OER und ORR durch z. B. Veränderung der Sauerstoffstöchiometrie konnten gezeigt werden. Abschließend wurden erste Test mit neuen Kohlenstoff-Trägerstrukturen unternommen, um die Gesamtperformanz noch weiter zu steigern.

Schließlich wurde im Rahmen dieses Projektes ein integraler Ansatz gewählt, um die Entwicklung der Mikrostruktur unter Betriebsbedingungen zu charakterisieren und modellieren. Dies betrifft sowohl die Kinetik der ablaufenden Interkalations- und De-Interkalationsreaktionen als auch die Veränderungen der Strukturen der Werkstoffe während des Betriebes und auf Grund von Degradationsreaktionen. Das primäre Ziel, einen konsistenten Satz an thermodynamischen Daten für die relevanten Werkstoffsysteme zu erstellen und für Modellrechnungen zur Abbildung der experimentell beobachteten Phänomene zu verwenden, konnte an ausgewählten Materialien und Reaktionen gezeigt werden.

Die Stabilitätsuntersuchungen und (Dünnschicht-)Prozessierung von Festkörperelektrolyten sind essentiell für viele Batteriekonzepte der nächsten Generation. Festkörper- und Lithium-Luft-Batterien können, auf unterschiedlichen Zeitskalen, einen wichtigen Beitrag zur revolutionären Entwicklung der Energiespeicher leisten. Hochleitfähige Festkörperelektrolyte, Schutzschichten für metallische Lithium-Anoden sowie neue Katalysatoren und Trägerstrukturen für Luft-Kathoden sind hierfür unabdingbare Meilensteine. Um die Materialentwicklung gezielt vorantreiben zu können, ist eine Modellierung der unterschiedlichen Prozesse und ihrer komplexen Abhängigkeiten in realen Zellen notwendig. Präzisere Modell und eine breitere Datenbasis können die zielgerichtete Material- und Zelloptimierung daher stark beschleunigen.