Ionische und gemischtleitende Polymere für Festkörperbatterien für bessere Effizienz, Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit

• Antragsteller: Professor Dr. André Gröschel
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568901658

Da die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien mit höherer Leistung und Energiedichte, aber auch mehr Effizienz und Nachhaltigkeit weiter steigt, wird immer deutlicher, dass Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) allein unseren Energiespeicherbedarf in naher Zukunft nicht decken können. Daher wird intensiv an Aktiv-Materialien mit hoher Kapazität und Spannung (Mn-basierte Oxide wie Spinelle), fortschrittlichen Elektrolyten sowie neuartigen Batterietechnologien wie Na-Ionen-Batterien und Feststoffbatterien geforscht. Ziel des CESAR-Projekts ist es, die Herausforderung der erfolgreichen Entwicklung von flüssigen LIBs zu Lithium-Metall Feststoffbatterien (ASSBs) zu bewältigen. Ziel des Projekts ist die Herstellung von hochleistungsfähigen positiven Verbundelektroden und Festelektrolyten für ASSBs, die als die nächste Generation sicherer Speichersysteme mit hoher Energiedichte gelten (mehr als 450 Wh/kg erwartet gegenüber 300 Wh/kg heute). Um dieses Ziel zu erreichen, berücksichtigen wir ASSBs mit (i) einem gemischt ionisch-elektronisch Leitfähigen Polymeren als Bindemittel und elektronisch leitfähiges Additiv für die Positiv-Elektrode (Katholyt, d. h. eine innige Mischung aus positivem aktivem Elektrodenmaterial und Festelektrolyt auf Partikelebene) und (ii) einem 3D angeordneten Polymer-Komposit Elektrolyt. Wir entwickeln innovative Positiv-Elektroden (Katholyte) mit dem Ziel, den elektronischen und ionischen Transport innerhalb dicker Elektroden zu maximieren. Dazu müssen Partikel des Aktiv-Materials in ein vernetztes elektronisch und ionisch leitfähiges Netzwerk eingebettet und/oder funktionalisiert werden, während gleichzeitig irreversible Reaktionen und mechanische Spannung an der Festkörper-Grenzfläche zwischen Katholyt und Elektrolytmembran reduziert werden. Die Entwicklung von 3D angeordneten Komposit-Polymerelektrolyten (CPEs) bildet den zweiten Schwerpunkt. Zu den Festelektrolyten gehören Lithium-haltige Sulfide, und zu den „trockenen“ Polymerelektrolyten zählen modifizierte Phosphazenelektrolyte. Feste Polymerelektrolyte (SPEs) sind leicht und lassen sich dank ihrer guten viskoelastischen Eigenschaften einfach als dünne Filme herstellen. Bislang weisen sie jedoch bei Raumtemperatur eine geringere Ionenleitfähigkeit auf als ihre anorganischen Gegenstücke. Um diese Einschränkungen zu umgehen, konzentrieren wir uns auf die Herstellung von CPEs, bei denen sich die ISE in den 3D-strukturierten Poren der SPEs befindet. Die Entwicklung von SPEs mit verbesserten Leitfähigkeitseigenschaften wird dank geeigneter räumlicher Anordnung, Oberflächenchemie und Größeneffekten, Synergieeffekte in diesen CPEs hervorrufen. Kandidaten für Festkörperelektrolyte müssen eine hohe Li+-Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und darunter, eine geringe Gesamtdichte, chemische Kompatibilität mit Elektrodenmaterialien, ein großes elektrochemisches Stabilitätsfenster, eine kostengünstige Synthese und eine einfache Integration in den Batterieherstellungsprozess kombinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Eric Cloutet; Professorin Dr. Laurence Croguennec