Nanostrukturierte Batteriematerialien

Im Rahmen des Teilprojektes soll die Entwicklung nanostrukturierter Coatingmaterialien vorangetrieben werden, um auf diese Weise eine gezielte Leistungssteigerung der Aktivmaterialien zu erreichen, ohne dabei jedoch signifikante Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Hierfür sollen Beschichtungen mit optimierter ionischer und elektronischer Leitfähigkeit sowie hoher elektrochemischer Stabilität entwickelt werden.

Die Herausforderung besteht darin, Aktivmaterialien mit deutlich verbesserter Speicherdichte, Effizienz und Lebensdauer zu entwickeln, deren Herstellungsprozess auch einen Transfer auf großtechnische Prozesse ermöglicht. Dabei wird erwartet, dass durch die Beschichtungsmaterialien die kathodenseitige Bildung einer Reaktionsschicht minimiert wird, und sich zudem die mechanische Stabilität der Aktivmaterialpartikel erhöht. Entsprechend werden die Coulombsche Effizienz und die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterien steigen. Die optimierten Beschichtungen werden zudem die Korrosion der Aktivmaterialien unterdrücken und deren Spannungsstabilität verbessern, woraus eine deutliche Steigerung der Lebensdauer resultiert.

Entscheidend dabei ist, dass die Beschichtungen im geplanten Vorhaben – im Gegensatz zu klassischen Beschichtungen – als kompakte, ultra-dünne und mechanisch stabile Schichten mit einer Dicke deutlich unter 100 nm aufgewachsen werden sollen. Zur Optimierung der elektrochemischen, mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften der Aktivmaterialien sollen hierzu Nanomaterialien auf Basis amorpher bzw. keramischer Feststoffionenleiter und mischleitender Oxide abgeschieden werden. Konkret werden (i) technisch relevante Nanomaterialien identifiziert und synthetisiert, (ii) die Abscheidungsprozesse ausgewählter Nanomaterialien auf industriell anwendbare Verfahren übertragen, (iii) die Funktionalität der nanostrukturierten Elektrodenmaterialien unter praxisrelevanten Bedingungen getestet und (iv) betriebswissenschaftliche Bewertungen der verschiedenen Materialien und Prozesse vorgenommen.

Zur Evaluierung des Einflusses dünner Oberflächenbeschichtungen werden zunächst verschiedene planare Dünnschichtelektroden mittels Sputterdeposition hergestellt, wobei die hierfür nötigen, technisch relevanten Elektrodenmaterialien zu Projektbeginn identifiziert werden. Als Kathodenmaterial kommen beispielsweise LiCoO2, LiFePO4 oder LiNi1.5Mn0.5O4 in Frage, wobei die Dicke der Dünnschichtelektroden zwischen rund 100 nm und 1 μm liegen soll. Auf diesen planaren „Modellelektroden“ werden anschließend verschiedene funktionelle Nanomaterialien deponiert, die ihrerseits im Vorhaben entwickelt und optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeiten sollen sowohl die intrinsischen Eigenschaften der Beschichtungen (Morphologie, chemische Zusammensetzung, elektronische und ionische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität etc.) als auch deren Einfluss auf die elektrochemische Funktionalität der Modellelektroden (Zyklenstabilität, Coulomb-Effizienz, maximale Lade-/Entladerate etc.) evaluiert werden.

Auf Basis dieser Ergebnisse werden schließlich technisch relevante Coatingmaterialien identifiziert, die eine gezielte Leistungssteigerung der Aktivmaterialien ermöglichen und als Ausgangspunkt für alle weiteren Betrachtungen dienen. Hierfür kommen sowohl Nichtaktivmaterialien (z. B. ZrO2, Al2O3) als auch Aktivmaterialien (z. B. LiFePO4) in Frage. Am IEK-1 erfolgt die Herstellung der Beschichtungen mittels Sol-Gel-Verfahren. Verschiedene spektroskopische Methoden, Röntgendiffraktometrie, Raster-Elektronenmikroskopie und Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) werden zudem wichtige Informationen zur elementaren Zusammensetzung, Kristallstruktur und Elementverteilung der beschichteten Aktivmaterialien liefern.

Nachdem die Funktionalität unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien anhand von Modellelektroden bewertet wurde, sollen im weiteren Projektverlauf schließlich verschiedene Aktivmaterial-Pulver mit ausgewählten Beschichtungen modifiziert werden, sodass der Transfer vom Modellsystem auf technisch relevante Pulvermaterialien gewährleistet ist. Um eine schnelle Übertragung der entwickelten Beschichtungsverfahren zur industriellen Anwendung zu realisieren, sollen hier kommerzielle Aktivmaterialien mit möglichst ökonomischen Prozessen beschichtet werden.

Das Forschungszentrum Jülich und insbesondere das Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) verfügt über eine langjährige Expertise bei der Umsetzung von grundlagenorientierter Forschung zu industrierelevanten Methoden und Prozessen. Die Entwicklung von anwendungsrelevanten Herstellungsverfahren ist eine Kernkompetenz des IEK-1, sodass hier eine einfache Umsetzung der Forschungsergebnisse in den industriellen Maßstab durch beteiligte und zukünftig beteiligte Unternehmen gegeben ist.

Es ist geplant, die Ergebnisse des Vorhabens sowohl in wissenschaftlicher als auch in wirtschaftlicher Hinsicht zu verwerten. Ziel ist eine systematische Bewertung von Materialien und Beschichtungsverfahren mit denen Aktivmaterialien mit den notwendigen elektrochemischen Kennwerten in großen Mengen kostengünstig hergestellt werden können. Während der Projektlaufzeit ist damit zu rechnen, dass neue Ergebnisse zu Schutzrechtsanmeldungen führen. Die entsprechenden Erkenntnisse und Materialdaten sollen zudem nach einer Prüfung auf Schutzrechtsanmeldung in wissenschaftlichen Publikationen zugänglich gemacht werden.

Die aus dem Vorhaben gewonnenen physikalisch-chemischen Erkenntnisse sollen ferner auf internationalen Fachkonferenzen präsentiert werden. Des Weiteren ist geplant, allgemeine (d. h. nicht-vertrauliche) Informationen und Ergebnisse im Rahmen eines populärwissenschaftlichen Webauftrittes zugänglich zu machen.

Die Ergebnisse des Vorhabens werden speziell für die stationäre Energiespeicherung und die Elektromobilität von großer Bedeutung sein, d. h. das Vorhaben adressiert den Ausbau der nicht nuklearen Energieforschung und damit eines der zentralen Ziele des 6. Energieforschungsrahmenprogramms. Insbesondere wird ein wichtiger Beitrag zum Ausbau erneuerbarer Energien geleistet, indem die Entwicklung elektrochemischer Speichertechnologien vorangetrieben wird. Auf diese Weise wird dazu beigetragen, zukünftig eine ganzjährige zuverlässige Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energie zu realisieren, den Anteil erneuerbarer Energie an der Energieversorgung zu erhöhen und die Verbreitung der Elektromobilität zu steigern.