Thermische Sicherheitsanalytik von sulfidischen Festkörperbatterien
PostDoc: Alexander Sedykh
Festkörperbatterien (SSB) sind eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterien, durch die höhere Energiedichten durch die Nutzung von Lithiummetall Anoden und eine höhere Sicherheit durch den Verzicht auf brennbare organische Flüssigelektrolyte erwartet werden. Thiophosphat-basierte (sulfidische) Festelektrolyte (FE) sind eine von den besten geeigneten ionischen Leitern für SSB. Bei diesen FE gibt es jedoch auch Sicherheitsbedenken, da die Bildung von H2S oder SO2 möglich ist. Dies kann durch die Zersetzung des Kathodenaktivmaterials während des elektrochemischen Zyklierens verursacht werden oder das Ergebnis einer Batteriebeschädigung und der Reaktion des sulfidischen FE mit Feuchtigkeit oder Sauerstoff sein.[1]
Die thermische Stabilität von Batterien ist eine kritische Größe für ihre Betriebssicherheit. Da die Effizienz der Ladung und Entladung nicht quantitativ ist, wird die Energie teilweise in Wärme umgewandelt. Lokale Überhitzung könnte die Komponenten beschädigen oder direkt eine unerwünschte Reaktion auslösen, die potenziell gefährlich sein könnte. Im schlimmsten Fall beginnt eine exotherme Reaktion, die zu einem thermischen Durchgehen führt - ein unkontrollierbarer, sich selbstverstärkter Prozess, der die gesamte Batterie überhitzt. Diese Kombination kann zu einer Selbstentzündung oder sogar eine Explosion führen.[2,3]
Daher ist die Untersuchung der thermischen Sicherheit von SSB vor der Massenproduktion ein Muss. Dafür ist eine umfangreiches Gefahrenabschätzung und ein grundlegendes Verständnis der thermisch induzierten Prozesse von sulfidischen SSB und mögliche Degradationswegen erforderlich. Innerhalb der FB2-SAFE-Plattform des Kompetenzzentrums für Festkörperbatterien (FestBatt) wird die thermische Stabilität von sulfidischen SSB untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen unserer Forschungsgruppe liegt auf der thermischen Analyse von Batteriematerialien, ihren Kombinationen, auch bei verschiedenen Zuständen des Batterielebenszyklus.
Als Teil der thermischen Studien wird eine simultane thermische Analyse (STA) durchgeführt, bei der die Massenänderung und der Wärmefluss der Verbindung oder Mischung aufgenommen werden (NETZSCH STA F3 Jupiter®). Eine zusätzliche Methode ist die Kalorimetrie, die das Screening von Prozessen mit hohen Energien ermöglicht. Die Messung erfolgt in einem geschlossenen System, das einem Druck von 15 MPa standhält, was sichere Untersuchungen explosiver Reaktionen mit gasförmigen Produkten ermöglicht (NETZSCH MMC 274 Nexus®, Scanning-Modul). Ein Highlight der thermischen Untersuchungen innerhalb dieses Projekts ist die Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften der gebauten Zellen während des Lade-/Entladezyklus zu messen (NETZSCH MMC 274 Nexus®, Knopfzellenmodul). Dieses Set analytischer Geräte ermöglicht die umfassende Untersuchung der thermischen Reaktionen innerhalb der SSB, um deren Betriebssicherheit zu erhöhen.
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit zahlreichen Forschungsgruppen durchgeführt. Die Hauptversorgung mit Batteriematerialien und die post mortem Analyse von Proben nach thermischen Untersuchungen erfolgt durch AG Janek (Justus-Liebig-Universität Gießen) und AG Zeier (Universität Münster). Die Untersuchung der lokalen Wärmebildung und Wärmeabfuhr erfolgt innerhalb der AG Gasteiger (Technische Universität München) mit Schwerpunkt auf der Entwicklung und Validierung von Zellformaten und der AG Jossen (Technische Universität München) durch Modellierung der Strom- und Temperaturverteilung in SSB.
Quellen:
[1] J. Janek, W. G. Zeier, Nature Energy 2016, 1, 16141.
[2] T. Kim, K. Kim, S. Lee, G. Song, M. S. Jung, K. T. Lee, Chem. Mater. 2022, 34, 9159–9171.
[3] X. Rui, D. Ren, X. Liu, X. Wang, K. Wang, Y. Lu, L. Li, P. Wang, G. Zhu, Y. Mao, X. Feng, L. Lu, H. Wang, M. Ouyang, Energy Environ. Sci. 2023, 16, 3552–3563.
Dieses Projekt wird gefördert im Rahmen der FB2-SAFE Plattform des Kompetenzclusters für Festkörperbatterien (FestBatt) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (FKZ: 03XP0597C).
