Forschungs- und Pilotanlagen für Batterien
In den Syntheseanlagen des EMPI können verschiedene Batteriematerialien hergestellt werden, welche sowohl auf ihre physikochemischen Materialeigenschaften auch auf ihre Performanz in Batteriezellen untersucht werden. Dabei interessieren uns neben Li- und Na-Festelektrolyten vor allem Silizium-basierte Anodenmaterialien. Das Ziel der Arbeiten zu Anodenmaterialien ist die Herstellung neuartiger, langzeitstabiler Speichermaterialien mit sehr hoher Kapazität, die sowohl in klassischen Li-Ionen-Batterien wie auch in Festkörperbatterien eingesetzt werden können. Dabei haben sich amorphe Verbindungen der Zusammensetzung SiCx und SiNx als besonders geeignet erwiesen. Die von uns hergestellten Anodenmaterialien bieten Vorteile bezüglich Kapazität, Stabilität und Laderaten. Im Bereich der Festelektrolyte interessieren wir uns besonders für Materialien aus der Verbindungsklasse der NAtrium-Super-Ion-CONductor (NASICON) sowie verschiedene Li-Festkörperionenleiter (Lithium Lanthan-Zirkonat, LLZO, und Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat, LATP). Die Festelektrolyte zeichnen sich aufgrund der Nanoskaligkeit durch niedrige Verarbeitungstemperaturen bei der weiteren Herstellung von Festkörperbatterien aus und ermöglichen die Herstellung von Metalloxid/Polymer Kompositmaterialien.
Batterieherstellung und -charakterisierung
Für die elektrochemischen Bewertung der Anodenmaterialien werden zunächst Pasten (Slurries) aus den Nanopulvern hergestellt. Hierfür werden sie in einem Zentrifugalmischer (Thinky, ARE 250) mit geeigneten Lösungsmitteln gemischt, bis eine dickflüssige homogene Paste vorliegt. Typischerweise werden zusätzlich noch Leitfähigkeits-Additive (meist Ruß) sowie Binder (in der Regel Polyacrylsäure) zugemischt. Diese Paste wird mit einer definierten Schichtdicke auf eine Kupferfolie aufgetragen. Nach dem Trocknen werden Homogenität, Haftung sowie Leitfähigkeit der Beschichtung überprüft. Ausgestanzte Elektroden werden in einer mit Argon gefüllte Glovebox zusammen mit metallischem Lithium und einem Elektrolyten zu Knopfzellen oder auch 3-Elektroden Zellen assembliert. Diese können mit einem 96-Kanal MACCOR Batterietester über hunderte Lade und Entladezyklen untersucht werden. Zusätzlich steht ein 16-Kanal Biologic VMP-3 Messgerät mit Impedanzfunktion für hochempfindliche Messungen zur Verfügung. Hiermit können neben den Kenndaten der Performanz auch Mechanismen in den Materialien detaillierter untersucht werden.
Literatur:
M. Loewenich, J. Kondek, M.R. Hansen, H. Wiggers, Amorphous Sub‐Stoichiometric Silicon Carbide (a‐SiCx) Particles from the Gas Phase for Battery Applications, Battery Energy 4 (2025) e70048, DOI: 10.1002/bte2.20250041
S. Kilian, B. Wankmiller, A.M. Sybrecht, J. Twellmann, M.R. Hansen, H. Wiggers, Active Buffer Matrix in Nanoparticle-based Silicon-Rich Silicon Nitride Anodes Enables High Stability and Fast Charging of Lithium-Ion Batteries, Adv. Mater. Interfaces, 26 (2022) 2201389, DOI: 10.1002/admi.202201389
G.M. Overhoff, Md.Y. Ali, J.P. Brinkmann, P. Lennartz, H. Orthner, M. Hammad, H. Wiggers, M. Winter, G. Brunklaus, Ceramic-in-Polymer Hybrid Electrolytes with Enhanced Electrochemical Performance, ACS Appl. Mater. Interf., 14 (2022) 53636, DOI: 10.1021/acsami.2c13408
Md.Y. Ali, H. Orthner, H. Wiggers, Spray Flame Synthesis (SFS) of Lithium Lanthanum Zirconate (LLZO) Solid Electrolyte, Materials 14 (2021) 3472, DOI: 10.3390/ma14133472