Fertigung und höchstauflösende elektronenmikroskopische Charakterisierung drei-dimensionaler Natrium-Ionen-Mikrobatterien bestehend aus binär-porösen Aluminiumoxid-Templaten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ute Kaiser; Professor Yong Lei, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501766751

Die Konzentration der Batterieforschung auf Li-Ionen-Batterien führt gegenwärtig zu einer Verknappung der Ausgangsstoffe und dadurch bedingt, zu einem enormen Anstieg der Rohstoffpreise. Natrium gilt, aufgrund seines reichen Vorkommens in der Erdkruste und der elektrochemischen Ähnlichkeiten zu Lithium, als ein nachhaltiger und preislich sehr konkurrenzfähiger Rohstoff für elektrochemische Energiespeichertechnologien. Insbesondere Natrium-Ionen-Mikrobatterien (SIMBs) sind eine vielversprechende Alternative zu den Lithium-Ionen-Mikrobatterien. Konventionelle zwei-dimensionale Dünnfilm-Mikrobatterien sind nur ein Kompromiss zwischen Energie- und Leistungsdichte. Ein drei-dimensionales (3D) SIMB-Design hat den Vorteil, dass durch das Ausweichen in die dritte Dimension, Energie- und Leistungsdichte effektiv voneinander entkoppeln und beide Parameter erhöht werden können. Eine Hauptschwierigkeit bei der Realisierung von 3D SIMBs ist die Integration von Batterie-Elementen im begrenzten Volumen. Weiterhin ist der Prozess der Natrium-Ladungs- und -Entladungsvorgänge noch zu wenig erforscht. In diesem Projekt verfolgen wir nun das Ziel, eine vollständig funktionierende 3D Mikrobatterie bestehend aus Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Stromabnehmer zu erstellen. Dabei setzen wir auf binär-poröse anodische Aluminiumoxid (AAO)-Template. Die zwei separaten Nanoporenbereiche erlauben dabei, die unabhängige Deposition ausgewählter, strukturierter Anoden- (z. B. SnO2) und Kathoden- (z. B. NaxCoO2, NaxMnO2 und NaxVO2)- Materialien mittels ALD (atomic layer deposition). Dadurch werden nanosäulenartige Felder von Anoden und Kathoden im kleinsten Volumen gewachsen. Die eigentliche 3D SIMB entsteht dann durch Füllung der freien Räume zwischen den Säulen mit einem Feststoffelektrolyt und nachfolgende Kontaktierung. Diese Architektur besitzt in den Elektrodenmaterialen naturgemäß kurze Elektronen- und Ionenpfade und ermöglicht dadurch hohe Stromdichten bei gleichzeitig hohen Energiedichten. Gleichfalls ist es Ziel des Projektes, diese neuartigen 3D SIMB hinsichtlich der Natrium Be- und Entladungsvorgänge mittels Elektronenmikroskopie zu untersuchen. Wir werden Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit FIB für die 3D-Charaktierisierung (Tomographie) sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bis hin zur atomaren Abbildung anwenden, um strukturelle Eigenschaften der SIMB von der Mikroskala bis zum atomaren Größenbereich zu erhalten. Insgesamt planen wir die Realisierung von 3D SIMBs mit Energiedichten von mehr als 10 mWh cm-3, hohen Stromdichten von mehr als 150 mW cm-3, bei bis zu 5000 Ladungszyklen. Mit der Durchführung des Projektes beabsichtigen wir, einen wichtigen Beitrag zur gegenwärtigen Batterieforschung und zum Fortschritt zukünftiger Mikroelektronik zu liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Johannes Biskupek