Nachhaltige Strategien für K-Ionen Batterien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Fabian Jeschull; Dr. Daria Mikhailova
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448719339

Durch die steigende Nachfrage an Traktionsbatterien sind Lithium-Ionen Batterie (LIB) als mobiler Hochenergiespeicher weiter auf dem Vormarsch. Die gewaltige Resourcennachfrage zum Zellbau könnte sich jedoch durch Verknappung von Resourcen wie Li, Co und Ni auf absehbare Zeit zu einem Problem entwickeln. Na- und K-Ionen Batterien (NIB und KIB) schicken sich als nachhaltigere Nachfolgertechnologien an das Portfolio an Batteriespeichern zu erweitern. Bis diese alternativen Stromspeicher jedoch ihr vollständiges Potential erreicht haben, gilt es grundlegende Probleme hinsichtlich der Batterielebensdauer zu lösen. Hierzu ist eine gesamtheitliche Systembetrachtung und ein Abstimmen der Materialien aufeinander erforderlich.Dieser Antrag widmet sich den fundamentalen Aspekten des wechselseitigen Zusammenspiels zwischen den Schlüsselkomponenten Kathode, Anode und Elektrolyte in KIB, die anhand neuer Aktivmaterialien wie Hexacyanometallaten, Oxo(fluoro)phosphaten oder Hard Carbons sowie deren Interaktionen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche näher untersucht werden sollen. Als Beispiel sei hier die Klasse der Oxo(fluoro)phosphate angeführt, die durch ihr stabiles Zykelverhalten selbst bei hohen Stromladungsdichten, einer hohen Zelspannung und mechanischer Belastbarkeit, der Gruppe aussichtsreicher schnellladender Kathodenmaterialien zuzuordnen ist. Die hohe Zellspannng übersteigt jedoch die Stabilitätsgrenze konventioneller Elektrolyte, was neue materialwissenschaftliche Ansätze verlangt um die Zersetungsreaktionen zu unterbinden und die Energiedichte weiter zu erhöhen. Die Forschung an LIB zeigt hierzu bereits vielseitige Lösungsansätze auf, z.B. durch Feineinstellung des Redoxpotentials durch electropositivere Übergangsmetallen oder durch Einsatz neuartiger Additive zur Grenzflächenstabilisierung. Hier steht die Forschung an KIB jedoch noch am Anfang. Für den Wissenstransfer von LIB zu KIB Systemen ist es außerdem notwendig Erkenntnisse erneut auf den Prüfstand zu stellen, vorhandene Synergien jedoch effizient zu nutzen um Lösungen zu fundamentalen Problemstellungen zu erarbeiten und die Entwicklung von KIB optimal voranzutreiben.Aus diesem Grund, werden in diesem Projekt die drei Schlüsselkomponenten gleichzeitig ins Auge gefasst und parallel zueinander entwickelt. Das Bindeglied hierbei ist der Elektrolyt und die Analyse der Elektrodengrenzfläche.Das Projekt ist für drei Jahre ausgelegt und wird von drei Kooperationspartnern am Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie (Skoltech, Russland), dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bearbeitet. Die Projektpartner verfügen über die für das Projekt notwendige Infrastruktur und haben bereits erfolgreich zusammengearbeitet. Durch gemeinsame Strahlzeit an Synchrotroneinrichtungen sowie dem regelmäßigen Austausch von Proben wird eine enge Zusammenarbeit zwischen den drei Instituten angestrebt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stanislav S. Fedotov, bis 3/2022