Ionen- und Elektronen-leitf?hige Hetero-Aggregate für elektrochemische Anwendungen

Projektleitung:

Prof. Dr. Jürgen Janek
Justus-Liebig-Universit?t Gie?en

Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade
Technische Universit?t 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 h?here Energiedichte und Sicherheit bieten. Ein entscheidender Bestandteil innerhalb einer Festk?rperbatterie ist die Kathode, welche h?ufig als Komposit realisiert wird, der sich aus Aktivmaterial, Festelektrolyt sowie Leitadditiv und meist einem Binder zusammensetzt. Die Eigenschaften von Festk?rperbatterien, insbesondere der Elektronen- und Ionentransport sowie die chemo-mechanische Degradation, h?ngen 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 gr??ere Agglomerate was zur anschlie?enden Bildung von Heteroaggregaten und einer gleichm??igen Mischung führt. Der genaue Einfluss der Submikron-Struktur auf die Zellperformance ist jedoch kaum bekannt. Zudem sind insbesondere die Prozesse zur Herstellung dieser Festk?rperkathoden 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, -intensit?ten und -h?ufigkeiten experimentell und simulativ untersucht.

In der ersten Projektphase wurde festgestellt, dass hohe Belastungsintensit?ten w?hrend des Mischens notwendig sind, um gro?e Agglomerate des Festk?rperelektrolyten zu vermeiden und eine ausreichende ionische Verbindung zu gew?hrleisten. 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 w?hrend 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 gro?technischen bzw. skalierbaren Prozessen vergleichbar zu machen. Ein zentrales Ziel ist dabei die Entwicklung standardisierter Mischprozesse, die eine besserte Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Studien erm?glichen soll. Zus?tzlich werden neue Materialkombinationen untersucht, um kostengünstigere und leistungsf?higere Batterien zu entwickeln. Der Wechsel zu weniger kostenintensiven Elektrolyten und die Untersuchung von Hochleistungsmaterialien wie LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂ (NCM) mit leitf?higen Sulfidelektrolyten sollen die Leistungsf?higkeit und Sicherheit der Batterien verbessern.