FestBatt

Im Zuge des Ausbaus erneuerbaren Energieträger und der rasant anwachsenden Bedeutung der Elektromobilität wird der Gesamtbedarf an gespeicherter elektrischer Energie in den nächsten Jahren stark steigen. Eine Weiterentwicklung der derzeitig vornehmlich zum Einsatz kommenden Lithium-Ionen-Batterie stellt die Festoffbatterie dar, welche statt flüssiger Elektrolyte einen Feststoffelektrolyten nutzt. Diese Weiterentwicklung führt zu einer erhöhten Feuerfestigkeit und erlaubt gleichzeitig höhere Energiedichten. Eine Erhöhung der Lebensdauer wird durch eine höhere Beständigkeit des Elektrolyts erreicht. Die Basis dessen soll das Projekt FestBatt liefern, welches sich aktuell bereits in der zweiten Förderphase befindet (https://www.festbatt.net). Im Rahmen dieses Projektes erarbeiten 21 Gruppen aus 12 verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen Lösungen für die Entwicklung und Verbesserung von Feststoffbatterien.

Am IEK-9 (Arbeitsgruppe Hausen) am Forschungszentrum Jülich findet ein wichtiger Teil der Charakterisierung neuartiger Materialien für Festkörperbatterien statt. In enger Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie eruieren wir, sowohl elektronische wie ionische Leitfähigkeiten lokal auf kleinen Skalen. Wir nutzen dazu die Methode der ESM (Electrochemical strain microscopy, Elektrochemische Deformationsmikroskopie). In diesem speziellen Verfahren der Rasterkraftmikroskopie werden die beweglichen Ionen im Material durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zum Schwingen angeregt und dabei die Ausdehnung der Probe ermittelt. Aus dieser Ausdehnung und der Relaxationszeit ist es möglich, die Mobilität der Ionen auf der prozessrelevanten Skala zu bestimmen und so Rückschlüsse auf die elektronische und ionische Leitfähigkeit zu ziehen. Fernen wird die Morphologie der Probe unter Berücksichtigung der Prozessparameter bei der Herstellung untersucht, da dies ebenfalls großen Einfluss auf die Güte der resultierenden Batterie hat.

Das vom BMBF geförderte Projekt FestBatt beschäftigte sich in der ersten Förderphase mit der Entwicklung von Methoden zur direkten Bestimmung der lonenmobilität mittels Magnetresonanzspektroskopie (NMR) und deren Einsatz zur Charakterisierung kommerzieller und synthetisierter Materialien.

Im Zentrum soll dabei die Einsetzbarkeit für eine breite Palette an Materialklassen, die einfache Analysierbarkeit der Daten sowie die Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl an untersuchten Proben stehen.
In einem ersten Schritt sollen Methoden zur Bestimmung der Diffusionskonstanten ohne angelegtes externes Potential sowohl mittels Hochfeld- als auch Tieffeld-NMR an ausgewählten Testproben implementiert werden.
Danach sollen Methoden sowie Aufbauten entwickelt werden, womit die Proben auch unter Potential betrieben werden können.
Schließlich sollen diese Techniken auf eine breitere Auswahl an Proben aus den Materialplattformen angewandt und die erhaltenen Messungen via Plattform 'Daten' für die Materialmodellierung sowie Materialoptimierung zur Verfügung gestellt werden.