Kompetenzcluster für Festkörperbatterien (FestBatt), Methodenplattform „Charakterisierung“

Festkörperbatterien (sog. All-Solid-State-Batteries) werden aktuell als mögliche Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten gesehen. Neben der beispielsweise möglichen höheren Energiedichte, der besseren Schnellladefähigkeit und insbesondere der besseren Sicherheitsaspekte können Festkörperbatterien deutliche Vorteile für die Batterietechnologie bieten.

Während die Material- und Prozesstechnologien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten bereits weit entwickelt sind, bedarf es zur erfolgreichen Etablierung von Festkörperbatterien noch erheblicher Forschungsaktivitäten. Es besteht der dringende Bedarf an hochwertigen Festelektrolyten und technischen Konzepten für die Verarbeitung von Festelektrolyten, da der Festelektrolyt den Schlüssel zur funktionierenden Festkörperbatterie darstellt.

Hier setzt der Kompetenzcluster für Festkörperbatterien (FestBatt) an. FestBatt umfasst alle für das Thema Festelektrolyte und Festkörperbatterien relevanten Forschungseinrichtungen in Deutschland mit einschlägigen Vorarbeiten. Ziel von FestBatt ist es, grundlegendes Wissen für Festkörperbatterien zu erarbeiten, im Detail zu verstehen und wissenschaftlich beschreiben zu können sowie für zukünftige Anwendungen weiterzuentwickeln. Damit soll die wissenschaftliche Basis für den Aufbau und die nachhaltige Weiterentwicklung einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion auch für die nächste Batteriegeneration in Deutschland gelegt werden.

Für den Bau von Festkörperbatterien werden feste Elektrolyte benötigt, deren Eigenschaften eine ganze Reihe von Bedingungen erfüllen müssen. Hierzu gehören neben einer hohen ionischen Leitfähigkeit, die thermische und chemische Stabilität sowie die Verträglichkeit bei Kombination mit den anderen Materialien einer Lithiumionenbatterie. Derzeit vielversprechende Materialien für Festelektrolyte werden im Kompetenzcluster FestBatt vergleichend untersucht. Hierbei verfolgt das Vorhaben FestBatt-Charakterisierung die methodische Untersuchung der Festelektrolyte bezüglich ihrer Struktur und Li-Ionendynamik. Die Kombination zahlreicher experimenteller Techniken erlaubt ein umfassendes Verständnis der Struktur und Dynamik der Festelektrolyte auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen. Dies ermöglicht die Aufklärung der zugrundeliegenden elektrochemischen Reaktionsmechanismen, die für die Funktion und Degradation der Materialien verantwortlich sind. Die gewonnenen Informationen werden an die Materialplattformen (Oxide, Thiophosphate und Polymere) und die Modellierungsplattform weitergegeben. Das übergeordnete Ziel ist die Modifikation der Synthesen im Hinblick auf eine Optimierung der Feststoffelektrolyte und die Verbesserung der Modelle zur Beschreibung der Festelektrolyte.