Modellierung und Aufklärung des Prozesses der Elektrodenverdichtung für sulfidische Festkörperbatterien

• Antragsteller: Dr. Peter Michalowski
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514726960

Festkörperbatterien (ASSB), bei denen der brennbare Elektrolyt durch einen anorganischen partikulären Festelektrolyten (SE) ersetzt wird, sollen wiederaufladbare Batterien der nächsten Generation mit hoher Kapazität, Lade-/Entladerate und Sicherheit sein. In herkömmlichen Batterien auf Flüssigkeitelektrolytbasis bildet sich die Fest-Flüssig-Grenzfläche spontan, da der Elektrolyt in die Poren zwischen den Aktivmaterialpartikeln eindringt. Bei ASSBs hingegen muss die Festkörper-Festkörper-Grenzfläche künstlich aufgebaut und die hochdichten Elektroden müssen durch Kompression hergestellt werden. Das derzeit in Betracht gezogene Herstellungsverfahren erfordert einen teuren Slurry-Prozess mit Nassbeschichtung und Trocknung, gefolgt von einem diskontinuierlichen Verdichtungsprozess mit sehr hohen Belastungen und langen Haltezeiten. Nassbeschichtung und Verdichtung sind die Engpässe für die praktische Anwendung von ASSBs. Ein genaues Verständnis des Mechanismus der Elektrodenverdichtung ist entscheidend für die Überwindung der derzeitigen Herausforderungen.In diesem Projekt werden die Osaka Metropolitan University (OMU) in Japan und das Institut für Partikeltechnik (iPAT) der Technischen Universität Braunschweig in Deutschland zusammenarbeiten, um die aktuellen Herausforderungen des ASSB-Herstellungsprozesses zu lösen. Die OMU wird vor allem an der trockenen Kompositherstellung und der numerischen Modellierung des Verdichtungsprozesses arbeiten. Gleichzeitig wird das iPAT seine Erfahrung bei der Untersuchung konventioneller flüssigkeitsbasierter Batterien vom Labor- bis zum Pilotmaßstab, insbesondere mit Silizium als aktivem Anodenmaterial und der Verarbeitung hochviskoser Elektroden, sowie die mechanochemische Elektrolytsynthese einbringen.Um den Mechanismus der Elektrodenverdichtung aufzuklären und einen optimalen Beschichtungs-, Trocknungs- und Kompressionsprozess vorzuschlagen, sind die folgenden vier Punkte Gegenstand dieser Studie:i) Untersuchung des Einflusses der Partikelgrößen von SE und Anodenaktivmaterial und der Struktur der beschichteten Partikel auf die Elektrodenstruktur und damit auf die Batterieleistung,ii) Messung der Druckänderung im Zusammenhang mit der Verdichtungsstrategie, um die Verschlechterung der Batterieleistung aufgrund chemo-mechanischer Volumenänderungen in der Elektrode während des Zyklisierens zu untersuchen,iii) Klärung des Mechanismus der Elektrodenverdichtung auf der Grundlage einer numerischen Analyse des Verdichtungsprozesses und der Suche nach leitfähigen Pfaden,iv) Systematische Untersuchung der (hochviskosen) Nassbeschichtung und der Verdichtung mittels Kalander unter dem Gesichtspunkt der Kosteneinsparung und der Ökologie.Dieses Projekt wird das Verständnis für die Verarbeitung von Festelektrolyten mit unterschiedlichem mechanischem Verhalten, Partikelkontaktierung und Verdichtungsverfahren deutlich verbessern. Es kann somit konkrete Empfehlungen für die skalierbare Verarbeitung von ASSBs geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Christine Friederike Burmeister; Professor Dr.-Ing. Arno Kwade; Dr.-Ing. Kevin Voges
• Kooperationspartner: Dr. Eiji Hayakawa; Dr. Hideya Nakamura; Dr. Shuji Ohsaki; Professor Dr. Satoru Watano