Electrochemistry of Materials and Interfaces

ELIC – Entwicklung von Li-Festkörper Coin-Zellen hoher Energie und Lebensdauer

Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erhöhen Festelektrolytbatterien (SSB) sowohl die Energieparameter als auch die Sicherheit. Das technische Haupthindernis für die Marktreife von SSB ist die Phasengrenze fest (Elektroden)/fest (Elektrolyt). Um dies zu verbessern, d. h. den Widerstand zu homogenisieren und zu reduzieren, wird ein Hybridelektrolytsystem für Anode und Kathode auf Basis von Festelektrolyten (SE) und Ionischen Flüssigkeiten (IL) entwickelt. Der IL-Teil übernimmt aufgrund seines flüssigen gelartigen Aggregatzustandes die vollständige Anbindung der FE an die Elektroden.
Das größte wirtschaftliche Hindernis sind die Kosten des Li-Films. In diesem Projekt wird die extrem teure metallische Li-Anodenfolie nicht verwendet und die Li-Anode wird in-situ während des Bildungsprozesses gebildet. Ein zu entwickelndes bipolares Batteriedesign mit einer dünnen Bipolarfolie in der Kombination +Al/Cu(Ni)- erhöht die Energieparameter weiter. Die vorgeschlagenen Lösungen eignen sich aufgrund der hohen Energie und Sicherheit der Batterie besonders für Traktionsbatterien.

REFA – Referenz-Elektroden für Festkörper-Akkumulatoren

Festkörperbatterien („all-solid-state batteries“) sind vielversprechende Kandidaten als Energiespeicher für viele verschiedene Anwendungen, insbesondere wenn es auf Sicherheit und Robustheit ankommt. Allerdings befindet sich die Entwicklung von ASSBs noch in einem frühen Stadium. Ein Haupthindernis ist das schlechte Verständnis der Prozesse, die an den Grenzflächen Elektrode/Elektrolyt ablaufen, was größtenteils auf das Fehlen geeigneter Zellaufbauten für ihre Untersuchung zurückzuführen ist. Zu diesem Zweck ist die Verwendung einer geeigneten Referenzelektrode (RE) entscheidend, d. h. einer RE, die durch ein wohldefiniertes Potential gekennzeichnet ist, das sich nicht mit der Zeit ändert. Kommerziell erhältliche Labortestzellen bieten jedoch nicht die Möglichkeit, ein solches RE einzubetten. Weiterhin fehlt es an Wissen über die optimale RE-Chemie für die verschiedenen Festelektrolyte. Dieser nicht idealen Situation begegnen die Projektpartner mit folgenden Zielen: (i) Entwicklung eines platzsparenden Versuchsaufbaus zur Kontaktierung der Testzelle und Einstellung der Probentemperatur und des Stackdrucks; (ii) die Entwicklung luftdichter Testzellen, die die Verwendung eines RE auf reproduzierbare, benutzerfreundliche Weise ermöglichen und auch für Messungen ohne RE verwendet werden können; (iii) die Optimierung der SE-Chemie und -Geometrie sowie der relativen Elektrodenkonfiguration innerhalb der Testzelle für die wichtigsten Festelektrolytklassen (z. B. Thiophosphate und Polymere); und (iv) die Ausarbeitung von Testverfahren zur Erzielung artefaktfreier Messergebnisse. Das Erreichen der Ziele (iii) und (iv) ermöglicht es dem Benutzer, mit einem nicht wandernden, stabilen RE der zweiten Art mit einem wohldefinierten, reproduzierbaren Elektrodenpotential zu arbeiten, anstatt gezwungen zu sein, ein sogenanntes Pseudo- Re. Der Fokus dieses Projekts liegt auf Lithium-basierten ASSBs. Dennoch wird die Möglichkeit, die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse auf andere Batterietechnologien zu übertragen, als zusätzliche Richtlinie für das Design solcher Zellen dienen.

SUPREME – Superkondensatorentwicklung in Richtung effektiver Materialien mit erhöhter Energiedichte

Ziel des Projekts ist die Entwicklung innovativer Superkondensatoren bzw. Ultrakondensatoren (EDLCs), die hohe Betriebsspannungen von bis zu 3,4 V bei gleichzeitig hohen Temperaturen (>60 °C) ermöglichen. Im Fokus steht dabei das tatsächliche Verhalten neuartiger Materialien in industriellen Zellformaten. Von besonderem Interesse ist die Gasentwicklung bei Temperaturen über 50 °C und Spannungen über 3 V, da diese bei Laborzellen bisher kaum vorhergesagt werden konnte, bei industriellen Zellformaten jedoch eine große Rolle spielt.
Das Projekt zielt somit darauf ab, die Leistungs- und Energiedichte von Ultrakondensatoren um bis zu 42 % zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten in der Anwendung (durch reduzierte Anforderungen an das Kühlsystem) zu senken.
Um dieses Ziel zu erreichen, sollten die im ULTIMATE-Projekt (Fördernummer 03ET6131) identifizierten vielversprechenden Materialien (einschließlich gebogenem Graphen mit 60 % erhöhter Energiedichte) mit fortschrittlichen Methoden digital simuliert und elektrochemisch und physikalisch analysiert werden, um die Mechanismen der Gasentwicklung zwischen ihnen zu identifizieren Elektrode und Elektrolyt. Anschließend sollen basierend auf den Ergebnissen neue Materialkombinationen – insbesondere im Bereich Binder und Elektrolyt – im Labormaßstab getestet und in industriellen Zellformaten demonstriert werden.
Als Teilprojekt soll das HIU neuartige Bindemittelkombinationen auf Basis natürlicher Polymere und geeigneter Vernetzer entwickeln, um die flächige Elektrodenbelastung zu erhöhen und gleichzeitig die mechanische und chemische Stabilität bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen zu gewährleisten.

Industrie-Kooperationen

Die Gruppe verfügt über ein etabliertes Kooperationsnetzwerk mit deutschen und internationalen Unternehmen, insbesondere mit der Automobilindustrie. In den vergangenen Jahren wurden mehrere Kooperationsprojekte in Zusammenarbeit mit Samsung, Hyundai, BMW und Daimler durchgeführt.