3D-SSB: Baukasten für Festkörper-Kathoden

Eine große Herausforderung, um Lithium-Festkörperbatterien zur Marktreife zu bringen, besteht darin, die Lithium-Ionen zu befähigen, sich darin ebenso schnell von einer Elektrode zur anderen zu bewegen wie in Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Vor allem an der Grenzfläche zwischen zwei Festkörpern werden sie bislang erheblich ausgebremst – also etwa dort, wo das Kathodenmaterial den Festkörperelektrolyten berührt.

Im Projekt 3D-SSB versuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun, diese Limitierungen zu beseitigen und die Leistungsdichte von Lithium-Festkörperbatterien deutlich zu erhöhen. Ihr Ansatz: Den Aufbau der Kathoden viel genauer zu kontrollieren, als es bisher getan wird.

Bislang werden Kathodenmaterial und Festkörperelektrolyt meist gleichmäßig auf dem Stromableiter verteilt. Im Projekt 3D-SSB werden zunächst Bausteine mit verschiedenen Strukturen entwickelt. Dabei handelt es sich um winzig kleine Konglomerate, die Festkörperelektrolyt und Kathodenmaterial enthalten, aber auch Binder, der alles zusammenhält, und Leitadditive, die dafür sorgen, dass der elektrische Strom zwischen einzelnen Komponenten gut übertragen wird. Je nach Baustein-Art kommen die Komponenten in verschiedenen Anteilen vor und haben deshalb ganz unterschiedliche Eigenschaften. Einige Bausteine können etwa mehr Energie speichern als andere, dafür können andere besser Ionen oder elektrischen Strom leiten.

Diese Bausteine können dann nach und nach zur Elektrode zusammengesetzt werden. So ist es etwa möglich, Bahnen von Festkörperelektrolyten durch die Elektrode zu ziehen, um eine bessere Ionenleitung durch die gesamte Elektrode zu garantieren. Welche Strukturen dann im Zusammenspiel besonders leistungsstark sind, muss aber erst herausgefunden werden. Und damit die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht allzu viele Strukturen ausprobieren müssen, versuchen sie anhand von Simulationen schon im Vorfeld die leistungsstärksten Strukturen zu finden.

Da nicht nur der Baukastenansatz neu ist, sondern auch die Verfahren, um aus den Bausteinen Elektroden zu fertigen, ist es wichtig, am Ende herauszufinden, welche Einzelprozesse am besten in die gesamte Prozesskette zur großtechnischen Herstellung von Lithium-Festkörperbatterien mit 3D-strukturierten Kathoden integrierbar sind. Dafür entwickeln die Projektpartner einen Katalog, mit dessen Hilfe die eingesetzten Einzelprozesse genau bewertet werden können.

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