Entwicklung von 3D-Modell-Elektroden mit Hybrid-Fertigungsprozessen (3D-Bat-Hybrid)

• Antragsteller: Professor Dr. Wilhelm Pfleging
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467624762

Im Rahmen des Projektes werden Silizium/Graphit (Si/C)-Anodenmaterialien mit neuartigen 3D-Elektrodenarchitekturen entwickelt und evaluiert. Durch die Kombination von Laser-Ablation und Laser-Drucken (LIFT, laser-induced forward transfer) sollen drei-dimensional geordnete Mikrostrukturen und Materialanordnungen in Modell-Systemen unterschiedlicher Massenbeladung dargestellt werden. Anhand elektrochemischer Methoden (Zyklische Zelltests, galvanostatische intermittierende Titrations-technik, elektrochemische Impedanzspektroskopie, Cyclovoltammetrie) und der lasergestützten Plasmadiagnostik (LIBS) werden für die neuen 3D-Elektrodenarchitekturen die elektrochemischen Kenndaten quantifiziert und mögliche Alterungsphänomene identifiziert, um Design-Konzepte für auf Anwendungsprofile optimierte Si/C-Anodenarchitekturen bereitstellen zu können. Der Einfluss der durch Kombination von additiven und subtraktiven Strukturierungsmethoden realisierten Elektrodenarchitekturen und Lithium-Diffusionspfade auf die elektrochemischen Kenndaten wird quantitativ erfasst und im Hinblick auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit in Ragone-Diagrammen eingeordnet.Folgende wissenschaftliche Ziele werden bearbeitet:1. Entwicklung von Si/C-Anoden mit Si-Anteilen im Bereich von 5-50 Ma.% für Anoden-Schichtdicken im Bereich von 30-150 µm2. Korrelation von Prozessparametern, Mikrostruktur und den daraus resultierenden elektrochemischen Eigenschaften3. Erlangen eines grundlegenden Verständnisses der Struktur-Eigenschaftszusammenhänge durch Einordnung der elektrochemischen Kenndaten von Elektrodenarchitekturen im Hinblick auf erzielbare Energie- und Leistungsdichten (Ragone-Diagramm)4. Übertragung der Struktur-Eigenschafts-Zusammenhänge auf ein zellbasiertes Batteriemodel (Comsol®) mit effektiven Transportparametern (Newman-Ansatz „P4D“)5. Identifizierung und Bewertung der Zelldegradationsmechanismen (chemisch, mechanisch) im Hinblick auf Einflüsse durch Material- und Mikrostrukturkenndaten.Für das Projekt wurde ein laserbasierter wissenschaftlicher Ansatz ausgewählt, um einer aufgrund lokal induzierter mechanischer Spannungen und Verformungen verursachten Si/C-Anoden-Degradation entgegen zu wirken. Dies soll durch Einführung dreidimensional angeordneter Aktivmaterialien (Graphit und Silizium), eingebettet in 3D-Topographien, bei hohem Si-Masseanteil realisiert werden. Aufgrund der vergrößerten aktiven Oberfläche der 3D-Elektrodenstruktur werden Ladungsdurchtrittswiderstand (charge transfer resistance) und Diffusionsüberspannung (diffusion overpotential) reduziert, was für hohe Lade- und Entladeströme von Bedeutung ist. Diese neue Methode hilft bei der Entwicklung von Energiespeichermaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mit verbesserter Leistung, hoher Ratenfähigkeit und längerer Lebensdauer.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen