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

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen gegenwärtig eine entscheidende Rolle auf dem Gebiet der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung; insbesondere bietet keine andere Batterietechnologie eine vergleichbare Kombination aus Energiedichte und Lebensdauer.

Technologisch vereinen All-Solid-State Ansätze hohe Energiedichten mit maximaler Zellsicherheit, jedoch werden bei Verwendung von Feststoffelektrolyten besondere Anforderungen z.B. an die ionische Leitfähigkeit gestellt. Letztere ist essentiell, insbesondere zur Realisierung von Schnellladeanwendungen und zur Steigerung der Systemenergiedichte. Im Rahmen dieses Projektes soll die praktisch abrufbare Energiedichte durch Mikrostrukturierung der Kathode einerseits und der Verwendung einer Li-Metall Anode mit optimierter Passivierungsschicht andererseits signifikant gesteigert werden. Auf Basis gängiger Materialien wird das Konsortium additive und subtraktive Prozesse (Laserstrukturierung) zur gezielten zwei- und schließlich dreidimensionalen Strukturierung der Feststoffelektrolytkathode definieren und einen sogenannten Elektrodenstrukturbaukasten für unterschiedliche Anwendungen bereitstellen. Die besonders enge Verzahnung von Material- und Prozesstechnologie zielt auf eine Optimierung der praktisch erzielbaren Energie- und Leistungsdichte ab. Ein besonderer Fokus des MEET wird auf der Analyse von Ober- und Grenzflächen sowie der Auswahl der Inaktivmaterialien liegen, da deren strukturelle und chemische Eigenschaften die Transportprozesse in der Feststoffzelle maßgeblich prägen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden nicht nur in die Simulationen zur Eigenschaftsprädiktion einfließen sondern auch fortlaufend an die prozesstechnologisch arbeitenden Projektpartner zurückgespiegelt. Dank der projektinternen Kooperation von Materialherstellen, großen und mittelständischen Unternehmen im Bereich der Prozesstechnik sowie eines Zellherstellers und der Expertise der Forschungsinstitute soll die Wertschöpfungskette der Zellentwicklung ganzheitlich, beginnend mit der Materialentwicklung über die Elektrodenherstellung bis hin zur Zellfertigung abgebildet werden.

Aufgrund ihrer – im Vergleich zu organischen Flüssigelektrolyten – relativ geringen ionischen Leitfähigkeiten beschränkt sich der Einsatz von Feststoffsystemen bisher hauptsächlich auf Dünnschichtanwendungen, bei denen sehr kurze Diffusionswege auftreten. Zur erfolgreichen Anwendung von Festelektrolytkathoden müssen mit ausreichender ionischer Leitfähigkeit, ausreichender elektrochemischer Stabilität (insbesondere gegenüber metallischem Lithium), adäquaten mechanischen Eigenschaften (z. B. Duktilität für die Verarbeitung) und der Wirtschaftlichkeit des Hochskalierens vielfältige Bedingungen für den Einsatz eines Materials als Feststoffelektrolyt erfüllt sein. Mit den oxidischen Ionenleitern LATP und LLZO sowie mit Polyethylenoxid (PEO) kommen im Rahmen des Projektes diverse Materialen zum Einsatz. Für den Betrieb der Zelle sind Ausprägung und Stabilität der Grenzflächen, etwa zwischen Feststoffelektrolyt und Lithiumanode von zentraler Bedeutung. Zur Optimierung der Herstellungs- und Betriebsparameter und damit zur Entwicklung eines verbesserten Zellsystems sind begleitende Simulationen unerlässlich. Mittels Implementierung experimentell gewonnener Daten (z. B. Partikelgröße, Porosität, ionische Leitfähigkeit, interne Widerstände, …) lassen sich Li+-Transportmechanismen evaluieren und Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen ableiten. Ein wesentlicher Bestandteil des Teilprojektes ist daher die experimentelle Unterstützung der theoretisch orientierten Partner mit dem Ziel der sukzessiven Material- und Prozessoptimierung unter Einsatz vielfältiger analytischer Methoden (Produktcharakterisierung). Ein Screening alternativer, zu den vorgesehenen Aktivmaterialien kompatibler Feststoffelektrolyte, sowie die Entwicklung effizienter Passivierungsschichten für die hochreaktive Lithiumanode und Grenzschichtbetrachtungen zur Identifikation von Transportlimitierungen sind weitere Kernaufgaben in diesem Teilprojekt. Die Arbeiten zielen letztlich auf den Aufbau und die Charakterisierung von Zell-Funktionsmustern auf Basis der im Projektverlauf entwickelten Materialien und Elektroden ab.

Dank der umfassenden Projektausrichtung beginnend bei der Material- und Elektrodenentwicklung über angepasste Inaktivmaterialien bis hin zu den jeweiligen optimierten Prozessschritten ergeben sich große Potentiale sowohl für die wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. So wird mit dem Einsatz neuartiger Materialien mit optimierten elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften die Grundlage zum Aufbau von neuartigen Feststoffzellen basierend auf strukturierten All-Solid-State Kathoden gelegt, mit dem Ziel erhöhte Energiedichten auch bei hohen C-Raten zu realisieren (Schnellladefähigkeit). Bei erfolgreichem Projektverlauf soll die Vermarktung neuartiger Binder- und Passivierungsschichten sowie neuartiger (strukturierter) Feststoffelektrolyte mit optimierter ionischer Leitfähigkeit zu einem Technologiesprung und damit einem Wettbewerbsvorteil der beteiligten deutschen Unternehmen gegenüber den ausländischen Konkurrenten führen. Vor dem Hintergrund der Hochskalierung spielt die lösungsmittelfreie Prozessführung mit ihrem Potential zur Reduktion von Investitions- und Energiekosten eine wesentliche Rolle zur Stärkung einer künftigen Zellfertigung in Deutschland. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass auch die Schaffung neuer Arbeitsplätze im Bereich der Materialhersteller sowie des Anlagen- und Maschinenbaus in Deutschland begünstigt wird.

Auf wissenschaftlicher Seite wird eine unmittelbare Veröffentlichung der zentralen Resultate in Fachzeitschriften und auf internationalen Konferenzen angestrebt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse noch während der Projektlaufzeit als Ausgangspunkt für die Beantragung neuer Forschungsprojekte dienen und in die universitären Lehrveranstaltungen einfließen. Somit ist gewährleistet, dass Nachwuchswissenschaftler auf technologisch höchstem Niveau ausgebildet werden, was seinerseits zur Stärkung des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandortes Deutschland beitragen wird