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 intensiv erforscht, da sie potenziell eine höhere Energiedichte und Sicherheit bieten. Ein entscheidender Bestandteil innerhalb einer Festkörperbatterie ist die Kathode, welche häufig als Komposit realisiert wird, der sich aus Aktivmaterial, Festelektrolyt sowie Leitadditiv und meist einem Binder zusammensetzt. Die Eigenschaften von Festkörperbatterien, insbesondere der Elektronen- und Ionentransport sowie die chemo-mechanische Degradation, hängen stark von der Mikrostruktur dieser Kompositkathoden ab, die entscheidend durch den Produktionsprozess bestimmt wird. Ein wichtiger Schritt ist dabei die homogene Verteilung und elektronische sowie ionische Kontaktierung des aktiven Materials, was durch intensive Mischprozesse erreicht werden kann. Diese Prozesse zerlegen größere Agglomerate was zur anschließenden Bildung von Heteroaggregaten und einer gleichmäßigen Mischung führt. Der genaue Einfluss der Submikron-Struktur auf die Zellperformance ist jedoch kaum bekannt. Zudem sind insbesondere die Prozesse zur Herstellung dieser Festkörperkathoden und deren Einfluss auf die Mikrostruktur bislang kaum untersucht.

Im Hinblick auf die Minimierung der CO₂-Emissionen und der Produktionskosten ist beabsichtigt die Kathoden für die kommenden Feststoffbatterien in Trockenverfahren herzustellen. Dazu muss ein effizientes und gut verstandenes Verfahren zur Vermischung der verschiedenen Feststoffkomponenten und damit zur Strukturierung der entstehenden Heteroaggregate entwickelt werden. Dies wird in diesem Projekt über verschiedene Mischprozesse mit unterschiedlichen Beanspruchungsarten, -intensitäten und -häufigkeiten experimentell und simulativ untersucht.

In der ersten Projektphase wurde festgestellt, dass hohe Belastungsintensitäten während des Mischens notwendig sind, um große Agglomerate des Festkörperelektrolyten zu vermeiden und eine ausreichende ionische Verbindung zu gewährleisten. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden weitere Mischtechniken und neue Materialzusammensetzungen untersucht, um den Mischprozess umfassender zu verstehen. Ein zentrales Element dieses Projekts ist die direkte Verknüpfung von Simulationen und Experimenten: Die Beanspruchungsbedingungen während der Prozessierung der Komposite werden u.a. über DEM-Simulationen ermittelt. Gleichzeitig werden die Komposite experimentell hergestellt und mikrostrukturell sowie elektrochemisch untersucht. Unsere Hypothese ist, dass bei Kenntnis der Beanspruchungshistorie die Struktur der Heteroaggregate und auf dieser Grundlage ihre elektrochemischen Performance-Eigenschaften vorhersagbar sind. Verschiedene Mischprozesse sollen dabei anhand ihrer Beanspruchungsmodi verglichen werden. So sollen durch Simulationen und Experimente die notwendigen Prozessparameter ermittelt werden, um Labormischmethoden mit großtechnischen bzw. skalierbaren Prozessen vergleichbar zu machen. Ein zentrales Ziel ist dabei die Entwicklung standardisierter Mischprozesse, die eine besserte Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Studien ermöglichen soll. Zusätzlich werden neue Materialkombinationen untersucht, um kostengünstigere und leistungsfähigere Batterien zu entwickeln. Der Wechsel zu weniger kostenintensiven Elektrolyten und die Untersuchung von Hochleistungsmaterialien wie LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂ (NCM) mit leitfähigen Sulfidelektrolyten sollen die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Batterien verbessern.