Ionen- und Elektronen-leitfähige Hetero-Aggregate für elektrochemische Anwendungen

Projektleitung:

Prof. Dr. Jürgen Janek
Justus-Liebig-Universität Gießen

Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade
Technische Universität Braunschweig

Eine neue Generation von Lithium-Batterien, die so genannten Feststoffbatterien (ASSB), in denen flüssige durch feste Elektrolyte (SE) ersetzt werden, wird derzeit entwickelt, um potenziell die Energiedichte und Sicherheit zu erhöhen. Allerdings ist die Submikron-Struktur innerhalb der Kathoden, d.h. die lokale Verteilung von Aktivmaterial, Festelektrolyt sowie Leitadditiv und meist einem Binder, sehr entscheidend für den Elektronen- und Ionentransport sowie für die mögliche mechanische Degradation der Kathode. Aus der Materialperspektive ist unsere Hypothese, dass kleinere Partikelgrößen für das Aktivmaterial und für den Festelektrolyten von ≤ 1 μm vorteilhaft sind, wenn diese Partikel homogen gemischt werden, so dass sich eine maßgeschneiderte Partikelstruktur ergibt. Der genaue Einfluss der Submikron-Struktur auf die Zellperformance ist jedoch kaum bekannt. Zudem sind die Prozesse zur Herstellung dieser Festkörperkathoden bislang nicht gut untersucht.

Im Hinblick auf die Minimierung des CO2-Footprints und der Produktionskosten sollten die Kathoden für die kommenden Feststoffbatterien in Trockenverfahren hergestellt werden. Dazu muss ein effizientes und gut verstandenes Verfahren zur Vermischung der verschiedenen Feststoffkomponenten und damit zur Strukturierung von Hetero-Agglomeraten/Aggregaten (im Folgenden als Aggregate bezeichnet) entwickelt werden. Dazu werden vier verschiedene Prozesse mit unterschiedlichen Beanspruchungsarten, -intensitäten und -häufigkeiten untersucht und der Einfluss der Spannungszustände auf die Morphologie und u.a. mittels FIB-SEM gemessenen Struktureigenschaften der Aggregate, bewertet.

Die Beanspruchungsbedingungen werden u.a. über DEM-Simulationen ermittelt. Unsere Hypothese ist, dass bei Kenntnis der Beanspruchungshistorie die Struktur der Heteroaggregate und auf dieser Grundlage ihre Performance-Eigenschaften - insbesondere ihre elektronischen und ionischen Leitfähigkeiten - vorhersagbar sind. Um den Einfluss der Struktur der Heteroaggregate auf die physikalisch-chemischen und elektrochemischen Eigenschaften tiefgehend zu verstehen, werden die Grenzflächen in den Aggregaten durch SIMS und KPFM im Hinblick auf mögliche Zersetzungsprodukte und den Potentialabfall an diesen Grenzflächen untersucht.

Es wird eine 3D-Tomographie (HR-REM und SIMS) durchgeführt und in Kombination mit einer in-situ elektrochemischen 3-Elektroden-Analyse im REM die ionische und elektrische Perkolation als Funktion der Aggregatstruktur untersucht. Die mechanischen und Leitfähigkeitseigenschaften ausgewählter Aggregatstrukturen werden ebenfalls mittels DEM simuliert, um in Zukunft die Eigenschaften vorhersagen zu können. Unsere Hypothese aus analytischer Sicht ist, dass die Rückkopplungsschleife zwischen der Partikelverarbeitung und der systematischen analytischen Charakterisierung auf der Nanometer- und Mikrometer-Skala zu optimierten Partikelaggregaten und daraus resultierenden verbesserten Verbundkathoden führen wird.