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Ausschreibender Bereich: IEK-1 - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren
Kennziffer: 2019M-029, Chemie, Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften

Masterarbeit: 3D-Strukturierung von Hochleistungskathoden für Festkörperbatterien mittels Gefriergießen

Speicherung regenerativ erzeugter Energie und Elektromobilität sind zwei der großen gesellschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Während heutige Batterien für die Anwendung in der Unterhaltungselektronik bereits ausreichend hohe Energiedichten und Sicherheit aufweisen, ist für eine flächendeckende Anwendung in anderen Bereichen noch Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig.

Einen vielversprechenden Ansatz liefern hier die Festkörperbatterien. Durch das Ersetzen des brennbaren, flüssigen Elektrolyts herkömmlicher Li-Ionenbatterien durch einen nicht brennbaren Ionenleiter (z.B. Keramik) wird nicht nur die Sicherheit erhöht. Aufgrund ihres größeren elektrochemischen Stabilitätsbereichs erlauben sie die Verwendung von Elektrodenmaterialien mit Spannungen von mehr als 5 Volt. Gleichzeitig ermöglicht ihre chemische Kompatibilität mit Lithium die Verwendung von Lithiummetall als Anode. Dadurch kann auch die Energiedichte dieser Batterien signifikant erhöht werden.

Um eine Hochleistungs-Kathode für solche Zellen herzustellen, müssen das Aktivmaterial und der Festkörperelektrolyt (zur Verbesserung der ionischen Leitfähigkeit) gemischt und als dünne Schicht aufgebracht werden, zusätzlich ist ggf. auch Kohlenstoff zu Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit nötig. Durch gezielte Strukturierung der Kathode während des Herstellungsprozesses kann sowohl die Leitfähigkeit als auch die Toleranz gegenüber mechanischen Spannungen durch die Volumenarbeit während der Lade-Entlade-Zyklen optimiert werden. Eine ideale Möglichkeit die Strukturierung zu beeinflussen ist die Herstellung einer porösen Festkörperelektrolyt-Matrix per Gefriergießen, welche anschließend mit Aktivmaterial infiltriert wird.

Hierfür sollen im Rahmen einer Masterarbeit eine geeigneten Schlickerrezeptur mithilfe von rheologischen Untersuchungen gefunden werden. Weiterhin soll der Einfluss verschiedener Materialparameter wie Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung und Prozessparameter auf die Mikrostruktur der Festkörperelektrolyt-Matrix untersucht werden. Zusätzlich soll eine Optimierung des Sinterprozesses auf Leitfähigkeit und Erhalt der Mikrostruktur hin durchgeführt werden. Die Charakterisierung der Mikrostruktur wird per Lichtmikroskop und SEM durchgeführt, vielversprechende Proben sollen dann mittels 3-D Tomographie vermessen werden und als Basis für Mikrostruktur aufgelöster Batterie-Modelle dienen.

Ihr Profil:

  • Student/in im Bereich der Chemie, Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften oder vergleichbares natur- oder ingenieurwissenschaftliches Studiengebiet, vorzugsweise bereits im Masterstudium. 
  • Kenntnisse in den Gebieten Anorganische Synthese und Rheologie sind von Vorteil, Kenntnisse im Bereich Batterien und diverser Herstellungsverfahren keramischer Bauteile sind von wünschenswert aber keine Voraussetzung.

Die Stelle ist auf 6 Monate angelegt.

Ansprechpartner:

Dr. Martin Finsterbusch
Institut für Energie- und Klimaforschung:
Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße
52425 Jülich

Tel.: +49 2461 61-2877
Fax +49 2461 61-2455
E-Mail: m.finsterbusch@fz-juelich.de

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