Nanostrukturierte Batteriematerialien

Dem flächendeckenden Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität bzw. der stationären Energiespeicherung stehen derzeit noch ihre zu geringen Energiedichten, Lebensdauern und Lade-/Entladeraten entgegen. Auch Sicherheitsaspekte und ökologische Fragestellungen spielen – insbesondere beim Einsatz Nickel-reicher Übergangsmetalloxide – in der Anwendung eine immer größere Rolle.

Ziel des Projektes ist nicht die Synthese neuartiger Aktivmaterialien, sondern die Entwicklung funktionaler Beschichtungen für bereits großtechnisch eingesetzte Anoden- und Kathodenmaterialien, die zu einer gezielten Verbesserung der Eigenschaften führen soll. Im Folgenden werden einige Beispiele angeführt, die das Potenzial nanostrukturierter Beschichtungen verdeutlichen.

Zur Steigerung der Energiedichte wird neben dem Einsatz ultradicker Elektroden die Verwendung hochkapazitiver Aktivmaterialien wie etwa Silicium diskutiert. Gegenüber Graphit besitzt Silicium eine wesentlich höhere spezifische Kapazität, jedoch erfährt das Material während der elektrochemischen Zyklisierung große Volumenänderungen, was aufgrund der damit verbundenen mechanischen Spannungen schon nach wenigen Zyklen zu einer starken Elektrodendegradation führt. Der Einsatz nanostrukturierter Elektrodenmaterialien wird als ein möglicher Ansatz diskutiert, diesen Prozessen entgegenzuwirken.

Zur Steigerung der Lebensdauer und zwecks Realisierung hoher Lade-/Entladeraten wird in vielen Fällen die Verwendung kohlenstoffhaltiger Beschichtungen zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit der Aktivmaterialpartikel favorisiert.

Im Bereich Nickel-reicher Hochenergiematerialien (NMC622, NMC811) ist für die wässrige und damit umweltfreundliche Elektrodenformulierung eine Stabilisierung der Partikel mittels nanostrukturierter Beschichtungen ein vielversprechender Ansatz.

Neben der Identifikation und Abscheidung funktionaler Coatings zur Erhöhung von Lebensdauer und Sicherheit liegt ein Ziel des Projektes auf der Analyse der zugrundeliegenden Mechanismen an den Grenzflächen zwischen Aktivmaterial und Beschichtung, was mittels hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie auf (sub-)atomarer Skala adressiert wird.

Im Rahmen des Teilprojektes steht zunächst die Identifikation geeigneter Anoden- und Kathodenmaterialien im Vordergrund, die im weiteren Projektverlauf mit funktionalen Coatings versehen werden sollen. Hierbei sind technische Details zur Herstellung der Materialien selbst sowie ihrer Kompatibilität hinsichtlich der Anordnung von Schichtsystem zu beachten. Zwecks eingehender Grundcharakterisierung werden zunächst planare Modellelektroden (vorwiegend Anoden) mittels Magnetron-Sputterdeposition hergestellt, die im weiteren Projektverlauf mit ausgewählten Nanomaterialien beschichtet werden, sodass der Einfluss der unterschiedlichen Beschichtungen auf die Aktivmaterialeigenschaften quantifiziert werden kann.

Das Forschungszentrum Jülich (FZJ) befasst sich darüber hinaus auch mit Sol-Gel Prozessen zur Abscheidung funktionaler Schichten, sodass die gewonnenen Erkenntnisse prozessübergreifend vergleichen werden können.

Zur Übertragung der Prozesse von den Modellelektroden auf technisch relevante Pulvermaterialien wird durch das MEET Batterieforschungszentrum eine spezielle Anlage beschafft, welche die Beschichtung von Pulvermaterial mittels Sputterdeposition ermöglicht. Ziel ist es dabei, dem Industriepartner Aixtron SE technisch relevante wie auch wirtschaftlich geeignete Beschichtungsmaterialien und -prozesse für eine Hochskalierung mittels CVD-Technik vorzuschlagen, sodass letztlich auch für die (Pilot-)Fertigung relevante Mengen von Elektrodenmaterial modifiziert werden können.

Das Teilprojekt besitzt neben der Materialherstellung und -modifikation zudem eine sehr starke analytische Komponente, die neben vielfältigen elektrochemischen Testverfahren auch umfangreiche strukturelle Untersuchungen umfasst; der Fokus liegt auf der Transmissionselektronenmikroskopie an Modellelektroden und Pulvermaterial. Die Analysen sollen zum tieferen Verständnis der Wirkungsweise der Beschichtungen beitragen und sich beispielsweise auf die Ausbildung und Beschaffenheit von Grenzflächen, die Klärung von Degradations- und Alterungsmechanismen sowie die Analyse mechanischer Spannungen im Material konzentrieren.

Die Zielsetzung des Teilprojektes besteht darin, kommerziell verfügbare Aktivmaterialien mittels definierter Oberflächenbeschichtungen hinsichtlich ihrer speziellen Anwendung zu optimieren. Aufgrund der Tatsache, dass keine Materialien synthetisiert, sondern bekannte Referenzmaterialien zugrunde liegen, sind Vergleichsdaten unbehandelter Materialien verfügbar. Mögliche Verbesserungen im elektrochemischen Verhalten können daher klar den funktionalen Coatings zugeordnet werden. Mit der Optimierung der elektrochemischen Langzeitstabilität, der Pulsstabilität oder der Kompatibilität der Materialien gegenüber alternativen und möglichst umweltfreundlichen Herstellungsroutinen ist ein klarer Anwendungsbezug gegeben.

Ein besonders hohes wissenschaftliches Potenzial besitzen die hochauflösenden strukturellen Untersuchungen mittels HRTEM, da diese Methode auf dem Gebiet der Batterietechnologie derzeit erst etabliert wird. Die Untersuchung von Alterungs- und Sicherheitsaspekten ist ebenfalls ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung.

Mit der Identifikation möglicher Coatings und dem Verständnis ihrer Wirkungsweise sollen schließlich wichtige Erkenntnisse an die materialherstellende Industrie geliefert werden. Konkret sollen auf Grundlage der im Teilprojekt hergestellten nanostrukturierten Aktivmaterialien gegen Projektende einzelne Elektroden und Zellen im Pilotmaßstab gefertigt werden, um etwaige Leistungssteigerungen im Anwendungsfall zu demonstrieren und das Potenzial für ein späteres Hochskalieren der Materialien und Prozesse aufzuzeigen. Mit Hilfe der im Teilprojekt gewonnen Resultate werden daher nicht nur mögliche Kombinationen von Aktivmaterial und Coating vorgeschlagen, sondern auch deren Wirkmechanismen beleuchtet und ein Transfer auf Prozesse industrieller Größenordnung vorgeschlagen. Zur Realisierung dieser Ansätze ist das Konsortium mit erfahrenen Partnern aus Wissenschaft und Industrie stark und interdisziplinär aufgestellt. Es können innerhalb des Konsortiums alle Prozesse von der Materialoptimierung und der Analyse bis hin zur Hochskalierung und der Betrachtung ökonomischer Aspekte abgedeckt werden.