Funktionelle Biopolymere Bindemittel für Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte und ultraschneller Zykluszeit, die bei extremen Temperaturen betrieben werden (BLISET)

• Antragstellerin: Dr. Daria Mikhailova, seit 10/2021
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462115051

Fast dreißig Jahre nach ihrer erfolgreichen Markteinführung erfreuen sich wiederaufladbare Li-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer ständig steigender Nachfrage. Neben hoher Energiedichte und langer Lebensdauer sind auch Sicherheit, Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz, hohe Strombelastung und Betrieb in einem weiten Temperaturbereich für Batterien erforderlich. Es wird erwartet, dass Batterien weltweit eine hervorragende Leistung erbringen, unabhängig davon, ob sie im sommerlichen Brasilien oder im winterlichen Sibirien eingesetzt werden.Um solche Ziele zu erreichen, richtet sich die Aufmerksamkeit neuerdings nicht nur auf Optimierung des Elektrodenmaterials, sondern auch auf andere Batteriekomponenten. Eine der Schlüsselkomponenten von Batterien ist das Bindemittel, das für eine homogene Verteilung und den Zusammenhalt der Partikel (Elektrodenmaterial und leitfähiger Kohlenstoff), aus denen die Elektroden bestehen, verantwortlich ist. Außerdem sorgt das Bindemittel für eine starke und dauerhafte Haftung am Stromkollektor und trägt auch zu einer schnelleren Diffusion der Lithiumionen bei. Ziel dieses Projekts ist es, ein umweltfreundlicheres Verfahren zur Herstellung von Elektroden mit verbesserten mechanischen, thermischen und leitfähigen Eigenschaften mithilfe des Bindemittels zu entwickeln, um die Batterieleistung bei hohen Stromraten zu erhöhen und den Temperaturbereich für den Betrieb von Li-Ionen-Batterien zu erweitern. Um diese Ziele zu erreichen, wird ein neuer Bindemitteltyp auf Basis von Biopolymeren untersucht. Neben Biopolymeren enthält dieses neue Bindemittel auch eine ionische Flüssigkeit und ein Lithiumsalz. Die Kombination dieser drei Komponenten führt zu einer Verbesserung der Ionenleitfähigkeit, der mechanischen Integrität und der thermischen Stabilität und trägt zur Schaffung eines leitenden Netzwerks bei. Somit wird das Elektrodenmaterial aufgrund der schnellen Kinetik der Ladungsübertragung und der kürzeren Diffusionswege der Lithiumionen vollständig genutzt.Insgesamt ist geplant, Li-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte, langer Lebensdauer bis zu 3000 Zyklen und sehr hoher Strombelastbarkeit bis 10C für 1000 Zyklen zu entwickeln, die zwischen -30 °C und 60 ºC funktionsfähig sind. Dieses Ziel soll durch die Optimierung der Bindemittelzusammensetzung und die Verwendung bekannter Elektrodenmaterialien erreicht werden. Die strukturellen, morphologischen, mechanische und thermischen Eigenschaften der im Rahmen dieses Projekts hergestellten Proben werden mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Zugversuche, Messungen der Elektrolytaufnahme und thermo-gravimetrischer Analyse charakterisiert, während die elektrochemische Charakterisierung durch in-situ-Spektroelektrochemie, galvanostatisches Zyklieren, elektrochemische Impedanz-spektroskopie und Cyclovoltammetrie zwischen -30 °C und 60 °C durchgeführt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Rita Daniela Barros Leones, bis 9/2021