Pulveraerosolbasierte Kaltabscheidung (PAD) zur Erzeugung dünner ionenleitfähiger NaSICON-Schichten im µm-Bereich für hochleistungsfähige Natrium-Feststoffbatterien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ralf Moos
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508497297

Kompakte Feststoffbatterien können höhere Energiedichten erreichen als Zellen mit flüssigen Elektrolyten und sind überdies sicherer. Verglichen mit Lithiumbatterien werden für Natriumzellen zudem umweltfreundlichere und verfügbarere Rohstoffe verarbeitet. Mit der Erzeugung dünner, aber dichter Festelektrolytschichten bei Raumtemperatur hat die leistungsfähige, kostengünstige und energiearme Pulveraerosolbasierte Kaltabscheidung, kurz PAD, das Potential den Aufbau planarer Zellen wesentlich zu vereinfachen. Die dichten, aber nur wenige µm-dünne Membranen sollten ausreichende ionische Leitfähigkeiten besitzen, damit eine Natrium-Feststoffbatterie bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher zu zeigen, ob sich die PAD zur Erzeugung µm-dünner aber dennoch dichter ausreichend ionenleitfähiger NaSICON-Membranen für hochleistungsfähige Natrium-Feststoffbatterien eignet und durch vergleichende Charakterisierung der resultierenden Elektrolytmembranen geeignete Prozessparameter zu erarbeiten. Konkret ist anhand von drei bekannten NaSICON-Zusammensetzungen zu zeigen, wie dichte, natriumionenleitende NaSICON-Membranen über PAD hergestellt werden können, welche ionischen Leitfähigkeiten sie bei Raumtemperatur im Vergleich zu Volumenkörpern erreichen und wie diese von der Schichtmorphologie bedingt werden. In einem zweiten Schritt ist zu klären, inwieweit moderates Tempern weit unterhalb der Sintertemperatur die Gitterdeformationen herabsetzen kann und damit die Ionenleitfähigkeit steigern kann. Zudem könnten dadurch Grenzflächenwiderstände verringert werden. Hierfür werden die leitfähigkeitslimitierenden Prozesse durch Impedanzspektroskopie analysiert und mit der PAD-bedingten Schichtmorphologie und den Gitterdeformationen der Elektrolytmembran korreliert. Daraus sind die Ionenleitfähigkeit fördernde Prozessparameter der PAD und der thermischen Nachbehandlung für die drei NaSICON-Zusammensetzungen abzuleiten. Der Transport von Natriumionen durch die erzeugten Festelektrolytschichten und somit den Nachweis dichter und stabiler PAD-NaSICON-Membrane wird durch galvanostatisches Zyklie-ren aufgebauter und thermisch nachbehandelter Halbzellen demonstriert. Darauf aufbauend ist final durch PAD von Kathodenaktivmaterial und dem vielversprechendsten NaSICON-Material eine einfache Vollzelle aufzubauen. Damit ist ein prinzipieller Funktionsnachweis planarer PAD-NaSICON-Zellen für künftige Natriumfeststoffbatterien mit niedrigen Betriebstemperaturen mit einer ersten Abschätzung möglicher Stromdichten zu erbringen. Positive Projektergebnisse könnten Ausgangspunkt weiterführender Forschungsarbeiten zum Potential von innovativen PAD-Funktionsschichten in Feststoffbatterien sein, welche dank der industriellen Skalierbarkeit der PAD letztendlich auch industrielles Interesse hervorrufen könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen