Geplante Arbeiten
des IAM-AWP in der Helmholtz-Energie-Allianz
„Stationäre elektrochemische Feststoff-Speicher und -Wandler“
C. Ziebert, M. Rohde, H.J. Seifert
Bei der Entwicklung von Li-Ionen Batterien mit hoher
Leistungsdichte und Speicherkapazität werden zurzeit flüssige, organische
Elektrolyten eingesetzt. Diese Elektrolyte bergen ein gewisses
Sicherheitsrisiko, da sie bei höheren Temperaturen zur Degradation neigen und
zum Teil auch leicht entflammbar sind. Eine Alternative zu den flüssigen
Elektrolyten bieten glas-keramische Feststoffelektrolyte, die diese
nachteiligen Eigenschaften wie Degradationsverhalten und Entflammbarkeit nicht
besitzen. Ein entscheidendes Problem dieser Feststoffelektrolyte ist jedoch die
relativ niedrige Ionenleitfähigkeit. Im Vergleich zu den flüssigen Elektrolyten
ist die ionische Leitfähigkeit von glaskeramischen Elektrolyten bei
Raumtemperatur etwa um einen Faktor von 10 bis 100 geringer. Bei Temperaturen
> 150 °C ist dieser Nachteil jedoch nicht mehr vorhanden, da die ionische
Leitfähigkeit deutlich ansteigt.
Im Rahmen der Entwicklung inhärent sicherer Lithium-basierter
Batterien mit Festelektrolyt bestehen die zentralen Aufgaben in der
Leitfähigkeitssteigerung des Elektrolyten und in der Verbesserung der
Elektrokinetik der Kathoden. Diesen Themen werden sich deshalb alle hier
involvierten Partner auf unterschiedlichen Entwicklungsniveaus und in allen
hier vorgestellten Arbeitspaketen widmen und zwar sowohl vom Werkstoffscreening
her als auch aus Processing-Sicht. Für das Screening von Dünnschichtmaterialien
eignet sich insbesondere die kombinatorische materialwissenschaftliche
Methode der HF-Magnetronzerstäubung (Sputtern) von segmentierten keramischen Materialquellen. Das Potential dieser Methode wurde bereits für
amorphe Li1.2V1.3Si0.7O4
Dünnschichten demonstriert, die bei Raumtemperatur eine höhere ionische
Leitfähigkeit als das Bulkmaterial zeigten [[1],[2]]. Hinsichtlich der Batterieentwicklung bedeutet dies
die erforderliche Nanostrukturierung und Schichtdickenoptimierung der
Elektrolyte, weil dadurch neben dem Werkstoff die Leitfähigkeit bestimmt wird.
Weiterhin sind für die beschriebenen Batterien angepasste Anoden- und Kathodenmaterialien
zu entwickeln. Ziel ist eine iterative Optimierung der Materialsysteme