Zur Mechanochemie fortschrittlicher Anodenkonzeptionen in Li-Ionen Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang H. Müller
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386355213

Der eingereichte Antrag ist ein Beitrag zur Verbesserung von Li-Ionen Batterien (LIBs) und basiert auf quantitativer Modellierung anhand fundamentaler Prinzipien der Kontinuumsphysik. LIBs haben als Energiespeicher eine wichtige Bedeutung und finden sich in vielen technischen Anwendungen wie mobilen Elektronikgeräten oder zur Stromversorgung von Elektrofahrzeugen. Die Ein- und Auslagerung von Li im Anodenmaterial während des Lade- bzw. Entladevorganges ist als chemische Reaktion aufzufassen. Diese ist von einer signifikanten Volumenerhöhung begleitet, die zu großen mechanischen Spannungen und Dehnungen führt. Dieses hat Einfluss auf die Wiederaufladbarkeit der LIBs, da die Reaktion durch Spannungen behindert wird. Des Weiteren können die Batterien selbst beschädigt werden. Zur Lösung dieses Problems wurden bisher verschiedene empirische Ansätze verfolgt. Zum einen wurde versucht, die zu ladende Siliziumstruktur in ihrer Form zu optimieren, zum anderen wurden Materialien verwendet, die weniger spröde als Si reagieren. Jedoch befindet sich der Ansatz der physikalisch motivierten, quantitativen Modellierung des Prozesses durch Berücksichtigung mechanochemischer Kopplung noch am Anfang. In der Vergangenheit wurden bereits Modellierungsversuche gewagt, jedoch fand die Kopplung von mechanischen und thermochemischen Aspekten nur auf phänomenologischer Basis Berücksichtigung. Daher kann die bisher vorhandene Theorie nicht als vollendet angesehen werden und sie basiert bislang nur bedingt auf grundlegenden Prinzipien. Eine solide Theorie zu formulieren und diese zur Verbesserung von LIBs zum Einsatz zu bringen, ist Gegenstand unseres Antrags. Zunächst wird eine konsistente mechanochemische Theorie abgeleitet. Anschließend wird diese analytisch und numerisch erschlossen und untersucht. Hierbei werden die Terme des Modells auf ihre Bedeutung, Herkunft und Auswirkungen auf die morphologischen Änderungen in verschiedenen Anodenmaterialien untersucht. Anschließend wird untersucht, inwieweit die abgeleiteten Modelle reale Experimente beschreiben. Die Anwendungsfähigkeit wird hier nicht durch das Anpassen von Parametern, sondern durch die konsequente Anwendung von Naturgesetzen verbessert. Im Ergebnis wird ein verlässliches Werkzeug geschaffen, das zur Entwicklung zukünftiger LIBs eingesetzt werden kann. Beide Forschungsstellen verfügen über langjährige Erfahrungen auf für das Projekt relevanten Gebieten und ergänzen sich. Die russische Gruppe trat bisher durch die Entwicklung konsistenter singulärer Flächentheorien und deren Anwendung, zum Beispiel zur Modellierung der Oxidation von Si, in Erscheinung. Die deutsche Forschungsstelle bringt Erfahrung im Bereich der Mehrkomponentendiffusion und Phasenfeldtheorien zur Beschreibung der Spinodalzersetzung in eutektischen Sn-Pb und Ag-Cu Loten in die Kooperation ein. Auch die Erfahrung mit einer durch Experimente und industrielle Anwendung geprägten Modellierung kommt dem Projekt zu Gute.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander B. Freidin