Charakterisierung von mittels lasergestützen Methoden erstellten 3D Architekturen von Lithium-Ionen-Mikrobatterien

• Antragsteller: Professor Dr. Wilhelm Pfleging
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392322200

Das Projekt adressiert grundlegende und anwendungsorientierte wissenschaftliche Fragestellungen im Bereich Energiespeichermaterialien mit 3D-Elektrodenarchitektur. In das Projekt werden Modellierung und Simulation sowie Fertigung und Charakterisierung gleichermaßen eingebracht. Unsere Arbeit zielt auf die wissenschaftlichen Grundlagen von Prozessen, Materialien und Geräten ab, die für zukünftige Batterien benötigt werden. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist es, sowohl experimentelle als auch theoretische Richtlinien für die Entwicklung von 3D Batterien mit hoher Energie- und Leistungsdichte zu liefern. Folgende Teilziele müssen hierfür erreicht werden:1. Mit der Ultrakurzpuls-Laserstrukturierung von nickelangereicherten Li(NiMnCo)O2- und Si/C-Dickschichtelektroden werden 3D-Elektrodenarchitekturen für Zellkapazitäten bis zu 1-5 Ah vorbereitet und optimiert. Eine hohe Zyklenstabilität unter hoher Strombelastung und unter Beibehaltung von 80% der Anfangskapazität sollen erreicht werden.2. Mit einem 3D-Druckverfahren sollen 3D-strukturierte Mikrobatterien mit Kapazitäten bis zu 1-5Ah, durch eine Optimierung der Struktur und des Designs integrierter Elektroden, aufgebaut werden.3. Kombination von 3D-Druckverfahren und Ultrakurzpuls-Laserstrukturierung zur Erzielung synergetischer Effekte in Bezug auf die strukturelle Genauigkeit und der Flexibilität zur Gestaltung 3D-integrierter Elektroden und kompletter Zellen.4. Einsatz der Atomlagenabscheidung (ALD) zur Oberflächenmodifikation und präzisen Einstellung der elektrochemischen Eigenschaften von 3D-Elektrodenarchitekturen.5. Realisierung hoher Energie- und Leistungsdichten in durch ALD-modifizierten 3D-Batterien durch Identifizierung von strukturellen und chemischen Effekten auf atomarer und Nanometer-Skala bis hin zu Mikrometerabmessungen unter Verwendung von Echtzeituntersuchungen an Feinstrukturentwicklungen. Post-mortem Studien mit laserinduzierter Plasmaspektroskopie werden verwendet, um chemische Effekte auf Mikrometer-, Millimeter- und Elektroden-Skala zu extrapolieren.Unser multidisziplinärer Ansatz konzentriert sich auf 3D-Druckverfahren, die lasergestützte Mikro/Nano-Strukturierung, ALD-Grenzflächenmodifikationen, in-situ-Elektronenmikroskopie und post-mortem Analysen für eine systematische Bewertung der Abhängigkeiten elektrochemischer Eigenschaften von 3D-Elektrodenarchitekturen. Grundlegende Fragen zu Elektronen- und Li-Ionen-Transportmechanismen in 3D-Strukturen und Grenzflächen werden untersucht. Das Projekt kombiniert die präzise experimentelle Charakterisierung mit der theoretischen Simulation, um die Entwicklung von fortschrittlichen Li-Zellarchitekturen zu beschleunigen. Die aus dem Projekt entstehenden Ideen, Modelle und Methoden werden die Wettbewerbsfähigkeit deutlich verbessern, um Deutschland und China eine weltweit führende Rolle im Bereich der erneuerbaren Energien und Energiespeichersysteme zu sichern und diese auszubauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Dr. Anming Hu; Professor Dr. Ruzhi Wang; Dr. Yuefei Zhang