CD-Labor for Festkörperbatterien

Festkörperbatterien gelten als Energiespeicher der Zukunft. Derzeit bilden sich jedoch an Grenzflächen innerhalb der Batterie hohe Widerstände. Dieses CD-Labor erforscht diese Grenzflächen, um daraus einen optimierten Batterieaufbau abzuleiten.

Eine zentrale Herausforderung der nahen Zukunft wird es sein, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Transport in Zukunft effizient und emissionsarm und die Energiewirtschaft nachhaltig zu gestalten. Dafür sind neue Energiespeicher erforderlich, um den Strom, der aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. Sonne, Wind und Wasser) gewonnen wird, effizient zu speichern. Daher gibt es große Bestrebungen, neue Lithium-Ionen-Batteriespeicher mit hohen Energie- und Leistungsdichten zu entwickeln, welche den steigenden Anforderungen neuer Technologien gerecht werden.

Um dies zu erreichen ist z.B. eine Erhöhung der Batteriespannung notwendig. Dies kann durch die Verwendung von Lithium Metall (Li) und Nickel-reichen Kathodenmaterialien erzielt werden.

Leider sind konventionelle Flüssigelektrolyte in den geforderten extremen Potentialbereichen nicht stabil. Des Weiteren kann es durch ein schnelles Laden der Batterie zur präferierten Li Abscheidung kommen und dadurch zur Ausbildung von sogenannten Dendriten. Diese Dendriten können zu einem Kurzschluss führen und dadurch eine Kaskade an chemischen Reaktionen auslösen die im schlimmsten Fall zum Entzünden der Lithium-Ionen-Batterie führt. Die Verwendung von Li ist daher seit Jahrzehnten eine der großen Herausforderungen im Bereich der Batterieforschung.

Festkörperelektrolyte stellen hier einen vielversprechenden Lösungsansatz dar, wodurch Lithium-Ionen-Batterien mit gravimetrischen und volumetrischen Energiedichten von etwa 500 Wh/kg und 1000 Wh/kg möglich wären. Diese Energiedichten könnten eine durchgehende Fahrt mit einem Elektroauto von 700 km ermöglichen. Daher wurde in den letzten Jahren intensiv an Festkörperelektrolyten geforscht und Materialien entwickelt, die Leitfähigkeiten ähnlich derer von Flüssigelektrolyten aufweisen.

Bei der Implementierung von Festkörperelektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien stellte man jedoch eine signifikante Erhöhung des internen Widerstands fest. Der Anstieg des internen Wiederstands lässt sich dabei auf die hohen Grenzflächenwiderstände zwischen (a) Festkörperlelektrolyt und den Elektrodenmaterialien, (b) Körnern des Elektrolyten (Korngrenzen), sowie (c) keramischer Partikeln und dem Polymer in Komposit-Elektrolyten zurückführen.

Das CD-Labor für Festkörperbatterien widmet sich genau diesen Grenzflächen. In der ersten Phase des Labors werden die verschiedenen Grenzflächen im Detail untersucht, um die Faktoren zu identifizieren, die zu guten oder schlechten Grenzflächen führen. Daraus werden anschließend Optimierungsstrategien abgeleitet, welche in der zweiten Phase des Labors zur Assemblierung und Testung neuer Zellarchitekturen verwendet werden. Aufgrund der großen Relevanz von Grenzflächen in Batterien wird das CD-Labor einen wesentlichen Beitrag in der Entwicklung von Festkörperbatterien als nächste Generation von Energiespeichern leisten.