CD-Labor für Festkörperbatterien

Projekt: Foschungsprojekt

Projektdetails

Beschreibung

Um die derzeitige Wandel Europas zu einem effizienten emissionsarmen Transport und einer nachhaltigen Energiewirtschaft voranzutreiben sind neue Energiespeicher erforderlich, um einerseits den Strom der aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. Sonnen, Wind und Wasser) gewonnen wird effizient zu speichern und andererseits unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Daher gibt es in große Bestrebungen neue Li-Ionen-Batteriespeicher mit hohen Energie- und Leistungsdichten zu entwickeln, welche den steigenden Anforderungen neuer Technologien gerecht werden. Um dies zu erreichen ist eine Erhöhung der Batteriespannung notwendig, welche durch die Verwendung von metallischen Lithium und Nickelreichen Kathodenmaterialien erzielt werden kann. Leider sind konventionelle Flüssigelektrolyte in diesen extremen Potentialbereichen nicht stabil. Im Weiteren ist die Bildung von Li-Dendriten bei der Verwendung von Li Metall als Anode seit Jahrzehnten eine der großen Herausforderungen.
Diese Hürden könnten durch die Verwendung von stabilen und hochleitenden Festkörperelektrolyte (Keramiken, oder keramik-polymer Komposite) überwunden werden, wodurch Li-Ionen Batterien mit gravimetrischen und volumetrischen Energiedichten von etwa 500 Wh/kg und 1000 Wh/kg realisierbar wären. Eine derart hohe Energiedichte ermöglicht beispielsweise eine Fahrstrecke mit einem Elektrofahrzeug von bis zu 700 km mit einer einzigen Ladung.
Daher war eine der Hauptbestrebungen der Batterieforschung in den letzten Jahren Festkörperelektrolyte zu entwickeln die einerseits stabil sind und andererseits einen schnellen Ionentransport ermöglichen. So wurden Festkörperlelektrolyte entwickelt, welche Kornleitfähigkeiten aufweisen ähnlich der Leitfähigkeit von flüssig Elektrolyten.
Kürzlich wurde jedoch Grenzflächen in Festkörperelektrolyten (FE), sowie Grenzflächen die durch die Integration von FE in Zelle entstehen als limitierende Faktoren in der Entwicklung von Festkörperbatterien identifiziert. Dabei handelt es sich genauer, um Grenzflächen zwischen Körnern innerhalb des FE (Korngrenzen), Grenzflächen zwischen Festköperelektrolyten Partikeln und der Polymermatrix in Komposite-Elektrolyten und im Besonderen um Grenzflächen zwischen FE und Elektrodenmaterialien, welche zu hohen Grenzflächenwiderständen und zu einer schlechten elektrochemischen Performance von Festkörperzellen führt. Gründe dafür sind unter anderem (i) Nebenphasen, Kornorientierungen, Dichte, etc. im FE (ii) der schlechter Kontakt zwischen den keramischen Partikeln und dem Polymer, (iii) die Diffusion und Grenzflächenreaktionen zwischen dem Festköperelektrolyten und der Elektrode, (iv) die elektrochemischer Zersetzung des Festköperelektrolyten an den Grenzflächen während des Zellzyklus und (v) dem schlechtem Kontakt zwischen dem Festköperelektrolyten und der Elektrode aufgrund der schlechter Benetzung und Volumenänderung der Elektrode während des Lade-Entlade Zyklus.

Das Christian-Doppler-Labor (CDL) für Festkörperbatterien widmet sich genau diesen Problematiken, weshalb in der ersten Phase des Labors die verschiedenen Grenzflächen im Detail untersucht werden um die Faktoren zu identifizieren die zu guten oder schlechten Grenzflächen führen, um daraus Optimierungsstrategien abzuleiten. In der zweiten Phase sollen basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen Festkörperbatterien mit neuen Architekturen konstruiert und getestet werden. Die Ergebnisse des CDL werden daher wesentlich zur Entwicklung der nächsten Generation von Energiespeichern beitragen.
StatusLaufend
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende1/10/2030/09/22