Feststoffbatterien mit Lithiummetall und Polymeren Schutzschichten

Im Projekt FLiPS werden Polymere als Schutzschichten in Feststoffbatterien mit Lithiummetall und anorganischem Festelektrolyten eingesetzt. Die Entwicklung dieser Schutzschichten soll die Herstellung, Stabilität und Leistung der Batterien erhöhen.

Meine Motivation ist die Vorstellung, dass wir in Zukunft unseren Energiebedarf durch erneuerbare Energien decken können. Ein wichtiges Problem erneuerbarer Energien ist, dass ihre Erzeugung zeitlich nicht an den Energiebedarf der Verbraucher angepasst werden kann. Deshalb spielen Energiespeicher eine zentrale Rolle, da sie geladen und entladen werden können, je nachdem, ob gerade Energieangebot oder Energiebedarf überwiegt. Die Lithium-Ionen-Batterie mit Flüssigelektrolyt ist derzeit die beste Technologie für mobile Anwendungen, um elektrischen Strom ohne große Verluste zu speichern und jederzeit wieder abzurufen. Dadurch ermöglichen uns Lithium-Ionen-Batterien den alltäglichen Umgang mit vielen transportablen elektronischen Geräten, finden aber auch Einsatz in stationären Energiespeichern. Sie werden aller Voraussicht nach auch für die Elektromobilität und Energiewende unabdingbar sein.
Allerdings werden heutige Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt ihr theoretisches Leistungs-potential in nicht allzu ferner Zukunft erreichen. Im Gegensatz dazu versprechen Feststoffbatterien, welche ohne Flüssigelektrolyt auskommen, einen weiteren Sprung in der Entwicklung von elektro-chemischen Energiespeichern. Dies gilt insbesondere, wenn Lithiummetall als negative Elektrode verwendet wird, da es das Anodenmaterial mit der höchsten Energiedichte ist. Mein Gesamtziel im Rahmen von FLiPS ist es, die Basis für die Entwicklung eines Prototyps einer sicheren und leistungsfähigeren Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien bilden. Insbesondere im Kathodenkomposit sind die hohen Leitfähigkeiten von anorganischen Festelektrolyten nötig, aber der Übertritt von Lithiumionen an den Grenzflächen zu den Aktivmaterialien ist noch zu langsam. Hier sollen die Polymere Zwischenschichten darstellen, die chemisch und mechanisch die Kontakte erhalten und den schnellen Transfer der Lithiumionen. Nur wenn der Innenwiderstand der Zellen gering ist und bleibt, werden sich leistungsfähige Feststoffbatterien etablieren.

Polymere Schutzschichten an der Kathodengrenzfläche

Eine große Herausforderung bei Festkörperbatterien ist die elektrochemische Degradation an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, insbesondere bei der Verwendung von Kathodenmaterialien wie LiNi_1−x−yCo_xMn_yO₂ (NCM) oder Siliziumanoden zusammen mit sulfidbasierten Elektrolyten wie Li₆PS₅Cl. Die instabile Grenzfläche führt zu Kapazitätsverlusten während des Zyklisierens. Um dieses Problem anzugehen, konzentriert sich die Forschung auf drei Aspekte: (a) Entwicklung zuverlässiger Beschichtungsmethoden, um Beschichtungen auf NCM- und Siliziumpartikeln zu erhalten; (b) Erforschung neuartiger Polymerbeschichtungen zur Verbesserung der Leistung von NCM und Silizium in Festkörperbatterien mit dem Ziel, die Zyklenstabilität zu verbessern; (c) Untersuchung der Rolle von Polymerbeschichtungen in Festkörperbatterien, um geeignete Polymerbeschichtungen zu identifizieren.

Polymerbinder und Entwicklung von Feststoffbatterie-Pouchzellen

Ziel dieser Forschung ist es, die Flächenkapazität von Festkörper-Lithiumbatterien im Pouch-Zellen-Format zu erhöhen. Die Kathode spielt eine entscheidende Rolle und beherbergt sowohl das Kathodenaktivmaterial (CAM) als auch den Festelektrolyten (SE), welche für die Energiespeicherung unerlässlich sind. Obwohl hohe Beladungen und Gewichtsanteile von CAM zu SEs auf Thiophosphatbasis die Energiedichte erhöhen, tritt aufgrund der ineffizienten Grenzflächenkonnektivität zwischen CAM und SE häufig das Gegenteil ein, was zu einer erhöhten Tortuosität des Lithiumionentransports führt. Dieses Problem wird durch die Optimierung der Mikrostruktur trocken verarbeiteter, polymerbeschichteter Kathoden gelöst. Darüber hinaus wird die Integration von Stromkollektoren und Elektroden mit polymeren Bindern untersucht, um die Haftung zwischen diesen Komponenten zu verbessern.

Polymerbeschichtungen auf der Lithiummetallanode

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Festkörperbatterien ist die Stabilisierung der Grenzfläche zwischen der Lithiummetallanode und dem Festkörperelektrolyten. Es ist eine Herausforderung, diese Fest-Fest-Grenzfläche während des Zyklisierens aufrechtzuerhalten, wenn nur anorganische Materialien verwendet werden. Während Festelektrolyte auf Sulfidbasis die höchsten Ionenleitfähigkeiten aufweisen, haben sie bei Kontakt mit Lithiummetall eine schlechte elektrochemische Stabilität, was zur Bildung von Festelektrolyt-Interphasen führt. Dendritbildung beim Lithiumabscheiden und Porenbildung beim Lithiumstrippen sind zwei weitere Fehlerquellen. Um diese Probleme zu lösen, wird eine schützende Polymerbeschichtung für die Lithiummetallanode entwickelt, die Dendriten verhindert und eine homogene Lithiumbeschichtung fördert.

Polymerschutzschichten in Natrium-Festkörperbatterien

Ziel dieser Forschung ist es, die Kapazität und Zyklenstabilität von Kathodenaktivmaterialien in Natrium-Festkörperbatterien zu verbessern. In diesen Batterien stehen Kathodenmaterialien wie Übergangsmetalloxide (TMOs) vor erheblichen Herausforderungen. Die elektrochemische Wechselwirkung zwischen TMOs und Festelektrolyten führt häufig zu schädlichen Nebenreaktionen, die zur Bildung erheblicher Mengen an zersetzten Elektrolytnebenprodukten, zum Bruch von Kathodenpartikeln und zum Verlust des Grenzflächenkontakts führen. Darüber hinaus verstärkt der größere Ionenradius von Na⁺ im Vergleich zu Li⁺ die Volumenausdehnung, was die Zyklenstabilität von Oxidmaterialien weiter beeinträchtigt. Diese kombinierten elektrochemomechanischen Herausforderungen können durch das Aufbringen von Schutzschichten auf die TMOs und die Implementierung optimaler Druckbedingungen verbessert werden.

Hybridelektrolyte und deren Grenzflächen in Festkörperbatterien

Um die Herausforderungen des schlechten Kontakts und der geringen Ionenleitfähigkeit in Festelektrolyten (SEs) und Polymerelektrolyten (PEs) zu überwinden, wird ein Hybridansatz untersucht mit dem Ziel, die Vorteile beider Elektrolyttypen zu kombinieren. Durch die gemeinsame Integration von SEs und PEs in Batterien werden Grenzflächen ergänzt, welche zu zusätzlichen Widerstandsbeiträgen führen können. Daher ist ein umfassendes Verständnis dieser Grenzflächen von entscheidender Bedeutung für die Auswahl optimaler Elektrolytkombinationen zur Verbesserung der Batterieleistung. Im Projekt MiNaBatt wollen wir eine detaillierte (elektro-)chemische Analyse der SE/PE-Grenzfläche durchführen, um die Schlüsselfaktoren zu identifizieren, die den Grenzflächenwiderstand unter verschiedenen Bedingungen beeinflussen, wie z. B. unterschiedliche Stromstärken und Temperaturen. Um dies zu erreichen, werden Multielektroden-Pouchzellen hergestellt und elektrochemische Tests mit verschiedenen SE- und PE-Kombinationen durchgeführt.