Mikro- bis nanoskalige Untersuchung von Grenzflächenprozessen in Festkörperbatterien mit Hybridelektrolyten zur Aufklärung des Lithiumtransports

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Anja Henß; Dr. Felix Richter
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496844749

Das Konzept von hybriden Festelektrolyten, die sich aus organischen polymeren und anorganischen keramischen Ionenleitern zusammensetzen, ist sehr vielversprechend für den Einsatz in zukünftigen Feststoffbatterien. Für die Funktionalität und Leistungsfähigkeit der Feststoffbatterie spielt die Lithiumleitfähigkeit des Elektrolyten eine wesentliche Rolle. Und obwohl hybride Elektrolytkonzepte die Vorzüge der jeweiligen Materialklasse vereinen, weisen sie zusätzliche Grenzflächen auf, die einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit des Komposits haben, da jede Grenzfläche eine potentielle Barriere für den Lithiumtransport darstellt. Hinzu kommt, dass sich der Lithiumleitungsmechanismus in Polymeren grundlegend von dem in anorganischen Materialien unterscheidet und es bereits bei Kontakt der meisten Materialsysteme zur chemischen Reaktion kommt. Es bildet sich eine Interphase von unbekannter chemischer Zusammensetzung, Struktur und elektrochemischer Eigenschaft. Daher ist es das Ziel des MiNaBatt-Projekts, den Lithiumtransport zwischen den hybriden Elektrolytsystemen aufzuklären. MiNaBatt vereint dafür die Erfahrung von Experten auf den Gebieten der Elektro- und Grenzflächenchemie, Materialsynthese und Oberflächenanalytik. Ziel ist es, gemeinsam systematisch die Grenzfläche verschiedener Polymer- und anorganischer Festelektrolyt-Kombinationen zu untersuchen. Die Materialkombinationen werden dabei so ausgewählt, dass sie unterschiedliche Funktionalität und Reaktivität von Polymer- und anorganischen Festelektrolyten repräsentieren und reichen von häufig verwendeten Systemen wie PEO-Granatartige Hybridelektrolyten bis hin zu bisher weniger untersuchten Elektrolyten, wie z.B. Polyphosphazene. Dabei wollen wir gemeinsam die Grenzfläche und ihre strukturellen, chemischen und elektrochemischen Eigenschaften in einem multimodalen Ansatz auf der Nano- bis Micrometerskala untersuchen. Die höchste laterale Auflösung im Nanometerbereich wird dabei durch das HIM-SIMS erreicht, das für die Analyse von hybriden Kompositen technisch weiterentwickelt wird. Präzise chemische Information über die Zusammensetzung der Interphase liefert das Hybrid-SIMS, das durch die neuartige Kombination mit einem Orbitrap-Analysator Polymeranalytik mit höchster Massenauflösung und Genauigkeit ermöglicht. Zusammen mit elektrochemischen Messungen des Grenzflächenwiderstands unter verschiedenen Temperaturen, Drücken und Stromdichten wollen wir die physikalisch-chemischen Prinzipien des Lithiumtransfers über die Grenzfläche/Interphase in hybriden Festelektrolyten verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Luxemburg
• Partnerorganisation: Fonds National de la Recherche
• Kooperationspartner: Dr. Jean-Nicolas Audinot