Optimierte Elektroden für Festkörperbatterien

Mithilfe von Transportsimulationen können Forscher:innen einer Kooperation zwischen dem Helmholtz-Institut Münster, der Universität Münster und der Forschungsschule BACCARA nun Transporteigenschaften von Festkörperbatterieelektroden vorhersagen.

12. März 2025 – Festkörperbatterieelektroden sind häufig Mischungen, bestehend aus festen Ionenleitern und Aktivmaterialien. Der effektive Transport von Ladungsträgern und Wärme bestimmt dabei im hohen Maße die Gesamtleistung und Sicherheit der Batterie mit. Forscher:innen vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IMD-4) des Forschungszentrums Jülich stellen nun in Kooperation mit der Universität Münster und der Internationalen Forschungsschule BACCARA ein Widerstandsnetzwerkmodell vor, das die Transportphänomene in solchen Elektrodenkompositen für Festkörperbatterien erfolgreich beschreibt.

Widerstandsnetzwerkmodell vorgestellt

Der Phasenraum für die Optimierung der Zusammensetzung von Festelektrolyt, aktivem Material und Additiv ist groß und daher experimentell schwer zu erfassen. Ein Team rund um Prof. Dr. Wolfgang Zeier, der am Helmholtz-Institut Münster, der Universität Münster und der Forschungsschule BACCARA tätig ist, stellt nun ein Widerstandsnetzwerkmodell vor, das die Transportphänomene in Festkörperbatterieelektroden erfolgreich beschreibt.

„Elektrodenkomposite bestehen im einfachsten Fall aus nur zwei Komponenten – einem festen Ionenleiter und dem Aktivmaterial. Das Mischungsverhältnis dieser Bestandteile sowie die Mikrostruktur der Mischung beeinflussen dabei maßgeblich die Transporteigenschaften der festen Elektrode,“ erklärt Lukas Ketter, der bei BACCARA promoviert.

Sowohl der Einfluss der Mikrostruktur als auch des Mischungsverhältnisses auf die Transporteigenschaften können nun simuliert werden. Die Simulationsergebnisse können dann mit experimentell ermittelten Leitfähigkeiten verglichen werden und bei der Dateninterpretation eine hilfreiche Stütze bieten.

Leichte Zugänglichkeit

Transporteigenschaften ändern sich immer dann, wenn die Zusammensetzung oder die Mikrostruktur variiert werden. Diese bei jeder Variation experimentell neu zu bestimmten, ist sehr aufwändig. Das neue Modell ermöglicht Simulationen, die einfache Vorhersagen über die Transporteigenschaften treffen. So können die Dateninterpretation unterstützt und Elektroden optimiert werden. Das Modell zeichnet sich hier durch seinen einfachen Aufbau und seine leichte Zugänglichkeit von bisherigen Ansätzen ab. Es werden nur wenige Parameter als Input benötigt und der Code ist unter eine Open-Source-Lizenz frei zugänglich.

Kenntnis über Wärmetransport entscheidend

Hohe Elektronen- und Ionenleitfähigkeiten in Festkörperelektroden sind für die Performance der Batterie entscheidend, schließlich werden die Ladungsträger für die Elektrodenreaktion benötigt. Ist der Ladungstransport besonders langsam, kann es zusätzlich zum hohen Innenwiderstand der Elektrode zu inhomogenen Lade- und Entladereaktionen kommen, was die Performance verschlechtert.

Bei erhöhten Temperaturen werden außerdem Degradationsreaktionen in Elektrodenkompositen beschleunigt. Bei besonders hohen Temperaturen können diese Degradationsreaktionen sehr heftig ausfallen und unter anderem einen Kurzschluss hervorrufen. Da sich Batterien beim Laden und Entladen durch Joulesche Wärme aufheizen, wird vor allem bei Hochleistungsanwendungen, beispielsweise batteriebetriebenen Fahrzeugen, immer auch ein Wärmemanagement entwickelt. Um es optimal gestalten zu können, ist die Kenntnis über den Wärmetransport der Materialien entscheidend.

Projekt SAFE

Die Arbeit ist Teil des Projektes SAFE (Thermische Sicherheitsanalytik von sulfidischen Festkörperbatterien), das in das Kompetenzcluster für Festkörperbatterien FestBatt2 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung eingebettet ist. Das Projekt bietet den Wissenschaftler:innen die Möglichkeit, sich über verschiedene Arbeitsgruppen aus Deutschland zu vernetzen und so die Verbesserung von Festkörperbatterien voranzutreiben.

Studie in Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen Lukas Ketter, Internationale Forschungsschule BACCARA und Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster, Niklas Greb, Universität Münster, Dr. Tim Bernges, Universität Münster, und Prof. Dr. Wolfgang Zeier, BACCARA, Universität Münster und Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IMD-4) des Forschungszentrums Jülich als Open-Access-Artikel im Fachmagazin Nature Communication veröffentlicht.