Festkörperbatterien
Die Forschung im Bereich Festkörperbatterien konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Batteriechemie und -konzepte auf der Basis von Sulfid-, Oxid-, Phosphat- und hybriden Festkörperelektrolytsystemen. Sulfid-basierte Festkörperelektrolyte zeichnen sich durch eine ressourceneffiziente Chemie, eine Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen und eine hohe Ionenleitfähigkeit aus. Keramische Batterien vom Oxid- und Phosphattyp können durch eine sorgfältige Hochtemperaturverarbeitung hergestellt werden. Dies ermöglicht ein optimales Grenzflächendesign, das zu stabilen Zyklenbedingungen führt. Bei Hybridbatterien werden Keramik-Polymer-Designs verwendet, um eine hohe Flexibilität und einstellbare Eigenschaften zu erreichen und um eine kostengünstige, leicht skalierbare Herstellung und eine ressourceneffiziente Chemie zu ermöglichen. Der Schwerpunkt des gesamten Forschungsbereichs liegt auf der Optimierung von Grenzflächen, der Stabilisierung elektrochemischer Prozesse und der Weiterentwicklung skalierbarer Fertigungstechniken, um zuverlässige, leistungsfähige Festkörperbatterien zu erhalten.
Festkörper-Batterien auf Sulfid-Basis
In sulfidbasierten Festkörperbatterien werden Materialien wie LGPS-Typ (Li₁₀GeP₂S₁₂), LPS-Typ (Li₃PS₄) und Argyrodit-Typ (Li₆PS₅Cl) als Festkörperelektrolyte verwendet, die eine hervorragende Ionenleitfähigkeit (1-10 mS/cm) und Verarbeitbarkeit aufweisen. Aufgrund ihrer vorteilhaften mechanischen Eigenschaften eignen sie sich für die Herstellung von Festkörperbatterien bei niedrigeren Temperaturen 1,2 . Die Herausforderungen liegen jedoch in der chemischen Stabilität und Phasenstabilität der Thiophosphat-Subgruppe sowie in ihrer Reaktivität mit Feuchtigkeit. Unser Ansatz beruht einerseits auf einer wissensbasierten Materialoptimierung zur Leistungssteigerung bei anspruchsvollen Synthesebedingungen 3,4,5 . Andererseits gehen wir auf die Verarbeitbarkeit der Materialien ein, indem wir die Feuchtigkeitsstabilität einstellen, die für eine skalierbare Herstellung und praktische Umsetzung entscheidend ist 6.
Weitere Infos finden Sie im Projekt HIPSTER.
Festkörper-Oxid- und Phosphatbatterien
Batterien auf Oxid- und Phosphatbasis zeichnen sich durch ihre festen keramischen Elektrolyte aus, die aufgrund ihrer Nichtentflammbarkeit, Nichttoxizität und hohen Temperaturstabilität die Sicherheit der Batterie erhöhen. Die Herstellung dieser Elektrolyte und der Kathoden-Elektrolyt-Verbundwerkstoffe erfordert jedoch keramische Hochtemperaturverarbeitungstechniken, um einen guten Kontakt zwischen dem Festelektrolyten und dem Kathodenmaterial herzustellen. Dies wird häufig durch die chemische und thermodynamische Instabilität bei der Sintertemperatur zwischen Festelektrolyt und Kathode erschwert. Daher ist die Kontrolle der Bildung stabiler Grenzflächen bei minimaler interner Elementdiffusion während des Sinterns der Schlüssel zu leistungsfähigen Festkörperbatterien. In den letzten zehn Jahren haben wir durch das Verständnis der Grenzflächenbildung und der induzierten Degradationseigenschaften in keramischen Festkörperbatterien 1,2 erfolgreich oxid- und phosphatbasierte Festkörperbatterien durchvorsichtigeVerarbeitungsprozessen entwickelt, um stabile Grenzflächen zu bilden und die Degradation zu minimieren 3,4,5,6. Zu diesen Innovationen gehören die Entwicklung von reinen Phosphat-gestützen Batterien, co-gesinterte Kathoden mit aktiven Ladekapazitäten von ~10-15 mg/cm² und Lithium-Metall-Batterien auf Granatbasis mit stabilen elektrochemischer Zyklierung.
Weitere Infos finden Sie in den Projekten HIPSTER und LISI-2.
Keramik-Polymer-Hybridbatterien
Hybridbatterien kombinieren die Flexibilität von Polymeren mit der Stabilität von Keramiken. Darüber hinaus bieten Polymere eine ressourceneffiziente Batteriechemie, geringe Toxizität und sind leicht zu skalieren - bei gleichzeitiger Kontrolle der Eigenschaften. Elektrodengestützte Designs ermöglichen hohe Kapazitäten, während elektrolytgestützte Designs Flexibilität für verschiedene Anwendungen ermöglichen. Zu den Herausforderungen der Technologie gehören die Stabilität gegenüber Li-Metall 1 und die Gestaltung der Keramik-Polymer-Grenzfläche für optimale Leistung. Unsere Forschung konzentriert sich auf skalierbare Designs für die Integration in die Praxis. Wir haben so neue Batteriedesigns auf "Polymerbasis" und "Polymer-in Keramik" mit verlängerter Zyklusdauer 2 und Flexibilität 3 entwickelt. Diese Systeme sollen die Grenzen zwischen Festkörper- und herkömmlichen Batterien überschreiten und eine robuste elektrochemische Stabilität und verbesserte Sicherheit gewährleisten.
Weitere Infos finden Sie in den Projekten HIPSTER und LISI-2.
Ansprechpartner
Letzte Änderung: 09.02.2025