Lithium-Ionen-Akku mit hoher elektrochemischer Leistung und Sicherheit

Eine Batterie mit großer Energiedichte und langfristig gesicherter elektrochemischer Leistung wird durch den Fortschritt und den umfangreichen Einsatz von digitalen Technologien sowie für anspruchsvolle Anforderungen im öffentlichen und gewerblichen Transportbereich benötigt. Umweltbelastungen wie Luftverschmutzung durch verbrennungsbasierte Technologien zusätzlich zu der eher schnellen Erschöpfung der derzeit bekannten fossilen Brennstoffressourcen machen die Suche nach alternativen, nachhaltigeren Technologien zwingend notwendig.

Auf der Suche nach möglichen Lösungswegen ist die Entwicklung effizienter Energiespeicher vor allem im Hinblick auf die zu erwartende Elektrifizierung der Transportflotte von größter Bedeutung. Technisch und wissenschaftlich relevante Herausforderungen bei der Entwicklung von Hochenergiebatterien, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Lithium-Metall-Batterien (insbesondere Lithium-Schwefel-Batterien), sind die Reduktion bzw. Vermeidung möglicher Dendriten-Bildung oder Elektrolytzersetzung an Lithiummetall-Elektroden sowie der Volumenausdehnung von Silicium-basierten Elektroden.

In diesem Projekt sollen zur deutlichen Steigerung der praktisch zugänglichen Energiedichten der Batterie sowohl Anoden- als auch Kathodenmaterialien optimiert werden. Zudem werden Hochenergiebatterien mit außerordentlich hoher elektrochemischer Performanz und Sicherheit für die kommerzielle Nutzung entwickelt. Das Projekt ‘LiBEST’ wird gemeinsam von fünf etablierten deutsch-taiwanesischen Wissenschaftlerteams mit herausragender Expertise im Bereich der LIB und Li-S-Batterien durchgeführt und integriert sowohl starke materialchemische als auch ingenieurtechnische Erfahrung. Aus der Kooperation der fünf ausgezeichneten Gruppen werden mittelfristig außerordentliche wissenschaftliche und technische Ergebnisse erwartet wie verbesserte Batteriezellen im Labor- als auch kommerziellen Maßstab.

Innerhalb des Projektes LiBEST wird eine Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Metall-Batterie mit hoher Energiedichte, verbesserter kalendarischer Lebensdauer sowie erhöhter Betriebssicherheit für ein großes Spektrum an Betriebsbedingungen entwickelt, insbesondere durch technische Umsetzung der sicheren Verwendung von Lithiummetall- bzw. Silicium/Graphit-(Si@G-)Anodenmaterialien anhand von Oberflächenmodifikation, Elektrodenstrukturierung bzw. optimierter Prozessierungsbedingungen.

Zusätzlich zu kommerziell verfügbarem nano-Silicium wird die Nanozerkleinerung von Silicium als kosteneffiziente, skalierbare Prozessvariante untersucht. Zur gezielten Einstellung von Produkteigenschaften wird hierbei der Auswahl von Lösemittel, Prozessbedingungen und Mahlkörpern eine große Bedeutung beigemessen. Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Technologien schlagen wir ein „verteiltes Silicium“-Designkonzept für die Herstellung von Si-C-Kompositanoden vor, welche die Packungshohlräume von μm-dimensionierten Graphitpartikeln innerhalb der Elektrode nutzen um Silicium-Nanopartikel zur Volumenausdehnung Platz zu bieten, bei minimalen Auswirkungen auf die Elektrodenabmessung. Die resultierenden Si-on-Graphit-(Si@G-)Kompositpulver oder Polyelektrolytmischungen werden in dünne Kohlenstoffbeschichtungen umgewandelt, um eine gute elektronische Leitung zwischen Silicium und Graphit zu gewährleisten. Zusätzlich werden Lithium-Ionen-leitfähige Polymerbeschichtungen auf dem Kompositmaterial als artifizielle SEI untersucht, da eine duktile Beschichtung Dimensionsvariationen von Silicium beim Zyklus aufnehmen kann.

Schützende Anodenoberflächenbeschichtungen sind eine mögliche Lösung für gegenwärtige Hürden, welche die industrielle Anwendung von Lithium-Metall-Anoden beeinträchtigen, daher werden Oberflächenmodifikationen von Lithium-Metall für die Verwendung in verbesserten Lithium-Schwefel-Zellen entwickelt. Zudem werden neue Elektrolytformulierungen mittels Datenbank-gestützter Auswahl möglicher Leitsalze, Lösemittel oder Additive entwickelt, welche das Dendriten-Wachstum und die fortlaufende Elektrolytzersetzung deutlich mindern oder gar verhindern sollen. Diese Entwicklung wird substantiell durch Verständnis ablaufender Prozesse an den jeweiligen Elektrodengrenzflächen und -oberflächen unterstützt, welches anhand systematischer in-situ-MRI/NMR-Analysen sowie weiterer Spektroskopie gewonnen werden soll. Hierbei werden Betrachtungen von Alterungsphänomenen und Sicherheitsaspekten eingeschlossen. Zudem werden maßgeschneiderte Elektrolyte und oberflächenfunktionalisierte Lithium-Anoden für stabile Lithium-Schwefel-Zellen entwickelt, wobei insbesondere Wechselwirkungen der Elektrolytlösungsmittel und gelöster Polysulfide mit den Anodenbeschichtungen untersucht werden sollen. Eine wesentliche Aufgabe ist die Entwicklung eines nutzbaren Verständnisses auftretender Wechselwirkungen an der Anodenfläche und basierend darauf die Entwicklung geeigneter Anodenbeschichtungen.

Die Entwicklung sekundärer Batterien mit hoher Energie- und Leistungsdichte ist im Hinblick auf das Erreichen wichtiger politischer Ziele wie der Umstellung der Stromversorgung auf erneuerbare Energien oder deutliche Emissionsreduktion im Bereich des Transportsektors durch die Einführung flächendeckender Elektromobilität von entscheidender Bedeutung. Derzeit konkurriert eine Vielzahl unterschiedlicher Technologieansätze einschließlich der LIB und alternativer Batteriesysteme (Li-O2-, Li-S-, Na-Systeme, Feststoffbatterien) als mögliche Energiespeichersysteme im Bereich automobiler oder stationärer Anwendungen.

Das Forschungsprogramm von LiBEST zielt auf eine signifikante Verbesserung der elektrochemischen Performanz von Batterien basierend auf Lithiummetall- oder Silicium-Graphit-Elektroden bei gezielter Optimierung der Elektrolyte und Prozessbedingungen zur Hochskalierung der Elektrodenfertigung. Ein erfolgreicher Abschluss des Projektes ermöglicht die Fertigung einer effizienten Zelle mit deutlich erhöhter Sicherheit sowie verbesserter technischer Kenndaten (z. B. Energieinhalt, Lebensdauer, Leistung oder Zyklenstabilität).

Die Erkenntnisse des Projektes leisten einen wichtigen Beitrag zur Beurteilung der technischen Umsetzbarkeit betrachteter Batterie-Technologien und können prinzipiell in industrielle Prozesse eingebracht werden sowie Industrieunternehmen die mögliche Ausrichtung künftiger Arbeiten erheblich erleichtern.