Der Forschungsbereich „Solid State Batteries“ beschäftigt sich mit einer höchst zukunftsträchtigen Technologie. Unter Feststoffbatterien versteht man Akkus, die keine flüssigen Elektrolyte (die brennbar sind) enthalten und daher zum einen sicherer und zum anderen langlebiger sind. Man kennt bereits eine Reihe von geeigneten Materialien – etwa Polymere, Keramiken und Gläser oder Sulfid-basierte Substanzen –, die jeweils Vor- und Nachteile haben. In einem neuen Solid-State-Battery-Labor am AIT werden nun entsprechende Herstellungsmethoden für Feststoffbatterien entwickelt.
Übergeordnete Ziele
- Schaffung einer Basis für die Herstellung moderner Festkörperbatteriematerialien,
- Ermöglichung der Herstellung von 1+Ah-Zellen auf Basis hybrider Polymer-Keramik-Pouchzellen,
- Reduzierung der unerwünschten Bildung von metallischem Li auf der Anodenseite,
- Grenzflächenstabilisierung von NMC- und Polymer-Hybrid-Elektrolyten.
Im Einzelnen lassen sich die Herausforderungen der Solid State-Batterietechnologien, mit denen wir uns auseinandersetzen, folgendermaßen zusammenfassen:
- Grenzflächenstabilität von Festelektrolyten mit Lithium und anodenlose Konfigurationen. Die meisten Festelektrolyte weisen entweder eine geringe Kompatibilität mit Li-Metall an der Anode auf oder können das Wachstum von Li-Dendriten nicht ausreichend verhindern. Schutzschichten zwischen Elektrolyt und Anode sind erforderlich, um die elektrochemische Stabilität und die Sicherheit der Zelle zu gewährleisten.
- Grenzflächenstabilität von Festelektrolyten mit Verbundkathoden oberhalb von 4 V Zellspannung. Festelektrolyte, insbesondere solche mit guter Ionenleitfähigkeit, weisen in der Regel ein niedriges elektrochemisches Stabilitätsfenster auf, das oberhalb von 4 V zu einer schnellen Degradation führt. Dies ist der Hauptgrund, warum in anderen Studien Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) als Kathodenmaterial verwendet wurde. Um die angestrebte Energiedichte zu erreichen, ist jedoch die Verwendung von Kathodenmaterialien der Generation 3b (z. B. Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid NMC) erforderlich.
- Reproduzierbare Verarbeitung der Zellkomponenten zu mehrlagigen Pouch-Zellen. Abgesehen von der elektrochemischen Kompatibilität der Zellkomponenten ist ihre Integration in eine Pouch-Zelle eine ebenso große Herausforderung, da die physikalische Verbindung zwischen den Schichten einen großen Einfluss auf die Zellleistung hat. Darüber hinaus gibt es bisher keine industriellen Standardverfahren für die Zellmontage, die einen Schwerpunkt der Produktionsforschung darstellt.
