FWF - InterBatt - Zur Natur der Grenzflächen In Festkörperbatterien

Festkörperbatterien haben das Potential den Energiespeichermarkt zu revolutionieren. Durch die Verwendung von keramischen Festkörperelektrolyten können sehr große Mengen an Energie auf kleinem Raum gespeichert werden (hohe Energiedichte). Speziell der Sicherheitsaspekt (Keramiken brennen nicht) macht Festkörperbatterien für die Speicherung von Energie im größeren Stil zum Beispiel in Batterien für elektrisch betriebene Fahrzeuge oder zur „Grid“-Speicherung von Energie aus Solar- und Windkraftwerken besonders attraktiv. Ein vielversprechender Festkörperelektrolyt um diesen Batterietyp zu realisieren ist LLZO. LLZO gehört zur Verbindungsklasse der Granate und LLZO steht hier für Li7La3Zr2O12 und verwandte Verbindungen. Granate sind den meisten Personen wohl als Schmucksteine (z.B. Almandin) bekannt. LLZO hingegen ist einer der vielversprechendsten Festkörper-Elektrolyte und zeichnet sich durch hohe Li-Ionen-Leitfähigkeiten und hohe Stabilität aus. Erste Versuche LLZO in Li-(Ionen-)Batterien zu implementieren zeigen jedoch Optimierungsbedarf. Hohe Grenzflächenwiderstände zwischen LLZO und den Elektroden limitieren zurzeit jegliche Anwendung. Um LLZO entsprechend seiner möglichen Anwendungen zu optimieren, müssen die Faktoren, die zu hohen oder niedrigen Grenzflächenwiderständen führen, wesentlich besser verstanden werden. In vergangenen Studien wurden polykristalline Proben verwendet, welche aufgrund ihrer Herstellungsweise starken Variationen (innerhalb einer Probe/von Probe zu Probe) in der Zusammensetzung unterliegen. Diese Variationen limitieren die Interpretation von Messergebnissen hinsichtlich ihrer Aussagekraft und daher die Weiterentwicklung von LLZO basierend auf deren Schlussfolgerungen. In dieser Studie haben wir nun zum ersten Mal die Möglichkeit, große Einkristalle im cm-Bereich als Modelsystem zu verwenden. Ohne Zweifel ermöglicht dies in der Kombination mit „state-of-the-art“ Charakterisierungsmethoden eine sehr akkurate Beschreibung der an der Grenzfläche ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse, sowie die Evaluierung von Ansätzen zur Verbesserung der Grenzfläche. Im Weiteren wird der Einfluss von Inhomogenitäten auf die Performance und Lebensdauer von Batterien untersucht. Inhomogenitäten sind eine der Hauptursachen die zum Versagen von konventionellen flüssig-elektrolyt-basierten Li-Ionen-Batterien führen. Deren Bedeutung in Festkörperbatterien wurde aber bis dato nicht untersucht. Dazu werden in dieser Studie hoch-präzise ortsaufgelöste Untersuchungsmethoden verwendet. Aufgrund der Vielzahl der Untersuchungsmethoden und der Verwendung von Einkristallen wird diese Studie wesentlich zu einem besseren Verständnis der Grenzflächen in LLZO-basierenden Festkörperbatterien beitragen und wegbereitend für die künftige Anwendung von LLZO in modernen Li-(Ionen-)Batterien sein.