3D-Strukturierung von Solid-state-Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

Die Elektromobilität hat sich weltweit zu einem essentiellen Thema entwickelt, in dem Deutschland eine führende Rolle übernehmen will. Da der elektrische Speicher über 90 % des Gewichts, des Volumens sowie der Kosten des elektrischen Antriebsstranges ausmacht, liegt der größte Fokus der aktuellen Forschung und Entwicklung auf der Erhöhung der Energiedichte, der Verbesserung der Schnellladefähigkeit und der Verringerung des Preises von Lithium-Ionen-Batterien. Als aktuell revolutionärste Weiterentwicklung des klassischen Lithium-Ionen Batteriesystems wird die Solid-State Technologie angesehen mit der die Energie- und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Verbesserung der Sicherheitseigenschaften gesteigert werden kann.

Nachdem die Materialforschung vielversprechende Feststoffelektrolyte entwickelt hat, liegt der Fokus des Projekts „3D-SSB“ auf der Entwicklung von skalierbaren Produktionsverfahren für Solid-State-Batterien. Zur Steuerung der Batterieeigenschaften (Energiedichte, Kosten, Sicherheit, etc.) müssen Produktionsverfahren entwickelt und gezielt für das Produktdesign der Batterie eingesetzt werden.

Die wissenschaftlichen Ziele der Institute der BLB liegen vor allem in der Erweiterung des Systemverständnisses von Solid-State-Batterien und den dazugehörigen Herstellungsprozessen von feststoffelektrolytbasierten Elektroden. Eine der wesentlichen Herausforderungen von Festkörperbatterien stellen Transportlimitierungen dar, die durch hohe Grenzflächenwiderstände oder begrenzte ionische Leitfähigkeiten auftreten können. Daher sollen über gezielte Strukturierungsmaßnahmen innerhalb der hochkapazitiven Komposit-Kathoden sowie die Entwicklung von Passivierungs- und Kontaktvermittlungsschichten zwischen den einzelnen Komponenten der Batterie, Lösungen entwickelt werden.

Um eine skalierbare Strukturierung von festkörperelektrolytbasierten Komposit-Kathoden zu ermöglichen, soll ein Strukturbaukasten mit unterschiedlichen Bausteinen entwickelt werden, deren physikalische und elektrochemische Eigenschaften gezielt eingestellt werden können. Hierfür werden Verfahrensentwicklung zum Einfluss der Materialrezeptur sowie der Prozessierung auf die Bausteineigenschaften und die elektrochemische Performance der aus ihnen aufgebauten Batteriezellen durchgeführt.

Für die Weiterverarbeitung der Bausteine zu Elektroden sollen unterschiedliche Prozessrouten entwickelt und in der BLB aufgebaut werden. Als additives Fertigungsverfahren soll eine SLS-Anlage für polymerbasierte Elektrolyte realisiert werden. Zusätzlich soll die Basis für eine SLS-Anlage für die oxidischen Elektrolyte in Form eines automatisierbaren Pulverbetterzeugungsprozesses sowie einer Prozessparameterstudie für das selektive Lasersintern gelegt werden.

Darüber hinaus soll die Etablierung von FEM- und DEM-Simulationsumgebungen auf Elektroden- und Ruß-Feststoffelektrolyt-Ebene, welche das mechanische Verhalten und den Ionen- und Elektronentransport beschreiben, Vorhersagen der Performance des Endprodukts Batteriezelle ermöglichen.

Neben der Elektrodenentwicklung wird auch die Entwicklung der inaktiven Zellkomponenten forciert. Dazu werden neben der Passivierung der Lithium-Metall-Anode, zur Erhöhung der elektrochemischen Stabilität, möglichst dünne Separatoren auf Feststoffelektrolytbasis entwickelt. Außerdem sollen Bindermodifikationen durchgeführt werden, um eine ausreichende mechanische Stabilität der strukturierten Elektroden zu gewährleisten.

Durch die Kombination der vorangegangenen Teilentwicklungen sollen Zellkonzepte einer hochenergetischen Solid-State-Batteriezelle mit erhöhter Leistungsdichte entwickelt und umgesetzt werden. Für die Charakterisierung werden tiefgehende physikalische und elektrochemische Analysen von 3D-strukturierten Komposit-Kathoden sowie von Solid-State-Batteriezellen durchgeführt.

Für die Etablierung der Festkörperbatterie in der Anwendung ist deren kostengünstige und skalierbare Herstellung von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus müssen aktuelle Herausforderungen hinsichtlich auftretender Transportlimitierungen (Schnellladefähigkeit/ Leistungsdichte) sowie elektrochemischer Beständigkeit gegenüber reinen Lithium-Metall-Anoden (Energiedichte) gelöst werden.

Die in dem Teilprojekt adressierten Untersuchungen können für die Bearbeitung dieser Herausforderungen einen wesentlichen Beitrag leisten. Das Verständnis zu verschiedenen möglichen Strukturierungen mittels eines Materialbaukastens, der aus mehreren Bausteinen mit unterschiedlichen physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften besteht, stellt einen Wissenszuwachs dar, der für die skalierbare Herstellung von strukturierten und damit leistungsfähigeren Hochenergie-Kompositkathoden erforderlich ist. Zusammen mit der Modellierung der 3D-strukturierten Elektroden und der Simulation ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften kann ein tiefgreifendes Verständnis für die Potentiale, die sich durch eine Strukturierung der Elektrode ergeben, aufgebaut werden. Diese sorgt durch wissenschaftliche Veröffentlichungen und den direkten Bezug zur Lehre dafür, den Forschungsstandort Deutschland zu stärken.

Zusätzlich bilden die Untersuchungen zur Modifizierung der Inaktivmaterialien für die mechanische Stabilität sowie die chemische Kompatibilität der Komponenten die Möglichkeit neue Zellkonzepte zu realisieren. Diese haben das Potential hochenergetische Solid-State-Batteriezellen mit erhöhter Leistungsdichte zu ermöglichen. Bei allen in dem Teilprojekt durchgeführten Produkt- und Verfahrensentwicklungen wird großer Wert auf die Skalierbarkeit der Ergebnisse gelegt, um einen relevanten Beitrag für eine industrielle Zellfertigung leisten zu können.