Interfaces in Composite All-solid-state Cathodes: Advanced Characterization and Optimization

All-Solid-State-Batterien (ASBs) mit Sulfid-, Polymer- oder Oxid-Festelektrolyten bieten eine
vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien (LiBs) mit Flüssigelektrolyten. Sulfid-basierte
ASBs sind nach dem derzeitigen Stand der Forschung die leistungsstärksten dieser Klasse. Für alle Typen
von ASBs sind jedoch noch zentrale Probleme zu lösen. Das Projekt bündelt daher die Kompetenzen von
TIT (Tokyo Institute of Technology), KIT (Karlsruher Institut für Technologie) und JLU (Justus-Liebig-
Universität) für sulfidische Elektrolyte. Konkrete Fragestellungen zielen auf niedrige Leitfähigkeiten im
Elektrolyten und Ladungstransferverluste an der Grenzfläche von Kathode zum Elektrolyten ab. Am KIT,
Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien (IAM-ET), werden die von den
Partnern hergestellten Modellsysteme mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und
elektronenmikroskopischer Verfahren analysiert. Die sich gegenseitig unterstützende Expertise in den
Fachgebieten wird durch einen stetigen Austausch von Nachwuchsforschern gefördert und trägt so zu
einem besseren qualitativen und quantitativen Verständnis der oben genannten Fragestellungen bei.

Grundlegende Fragen zu den chemischen, mikrostrukturellen und elektrochemischen Eigenschaften von
Festkörperelektrolyten (ASB) für Li+-Ionen-Batterien werden durch die Präparation (TIT/Kanno und
JLU/Janek) und die Untersuchung verschiedener Modellsysteme mit unterschiedlichen Analysewerkzeugen
(JLU/Janek und KIT/Ivers-Tiffée) beantwortet. Die Komplexität dieser Modellsysteme nimmt dabei Schritt
für Schritt zu, von Elektrolytproben bis hin zum komplexesten Design, das aus allen relevanten
Zellkomponenten besteht. Die geometrischen Abmessungen werden so einfach wie möglich gehalten und
die Variation in der Zellchemie und im Zellschichtdesign so umfassend wie möglich. Der Schlüssel zum
Erfolg liegt in der sorgfältigen chemischen, strukturellen und mikrostrukturellen Charakterisierung von
Kompositen parallel zur fortgeschrittenen Impedanzcharakterisierung mit dem Ziel der vollständigen
elektrischen Modellierung von ASBs. Ergänzende, in-situ Messungen der Li-Verteilung in Komposit-
Kathoden im mesoskopischen Maßstab werden durchgeführt. Dies erfordert eine kontinuierliche
Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Komposit-Kathoden in Oxid (FZJ/Finsterbusch), Sulfid
(TIT/Suzuki) und Polymer (WWU/Wiemhöfer) basierten ASBs und die Entwicklung eines
temperaturgesteuerten Probenhalters (QST/Satoh und FZJ/Finsterbusch). Im Erfolgsfall können die
Erkenntnisse aus der Ionenstrahlmessung an ASBs auf verschiedene Arten von konventionellen und
Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation übertragen werden. Alle experimentellen Ergebnisse
werden den Partnern fortlaufend kommuniziert und in die Entwicklung von Modellen, Materialien und
Fertigungstechniken integriert.