Materialentwicklung und -synthese für Festkörperbatterien

Die Realisierung der Produktion von Festkörperbatterien steht noch vor großen Herausforderungen. Im Fokus steht dabei die Erforschung der Herstellung benötigter Materialien, ihrer Eigenschaften und ihre Weiterverarbeitung zu Batteriezellen.

Am Fraunhofer ZESS werden Materialien für den Einsatz in zukünftigen Lithium-Festkörperbatterien synthetisiert und optimiert. Dabei werden alle Klassen von Festkörperelektrolyten betrachtet – Oxide, Sulfide und Polymere. Zudem werden Beschichtungen von Kathodenmaterialen wie zum Beispiel auf Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM) entwickelt, um die Kompatibilität zwischen Aktivmaterial und Festelektrolyt in einer Kompositkathode zu gewährleisten.

Sulfide
Bei der Synthese von sulfidischen Materialien werden mechano-chemische Verfahren mittels Mahlprozessen und nasschemische Syntheserouten betrachtet. Die Evaluierung von Syntheseparametern zur Optimierung der Energie- und Stoffbedarfe sowie die Auslegung von Aggregaten zur Skalierung der Prozesse in einen Pilot-Maßstab stehen dabei im Vordergrund, um ausreichend Material für die Pastenentwicklung bereit stellen zu können.

Polymere
Polymerbasierte Elektrolyte werden sowohl als Schutzschicht für Lithium-Metall-Anoden als auch als Polymerseparator in einer Festkörperbatterie entwickelt. Neben der Evaluierung thermoplastischer Polymere werden Syntheseparameter für Reaktivpolymere betrachtet. Dabei werden die experimentellen Laborarbeiten durch Computer-Simulationen ergänzt, um mittels atomistischer Simulationen Vorhersagen zu den Eigenschaften von Polymeren zu machen und gezielt vielversprechende Polymere herstellen zu können.

Oxide
Im Vordergrund der Entwicklung von Oxiden steht die Veredelung von Aktivmaterialien, z. B. Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid durch die Beschichtung mit dünnen, ionenleitenden Schutzschichten aus Lithium-Metalloxiden wie z. B. LiNbO₃, um die Kompatibilität zwischen Aktivmaterial und Festkörperelektrolyt zu erhöhen. Dabei werden verschiedene Materialkombinationen untersucht und geeignete Beschichtungsverfahren und –parameter ermittelt.