Festkörperbatterien gelten als große Hoffnungsträger für die nächste Generation an Hochenergie-Zellen für die Elektromobilität. Ihr Aufbau und Ihre Funktionsweise sind ähnlich zu konventionellen Li-Ionen Batterien. Der grundlegende Unterschied besteht in der Verwendung fester Elektrolyte. Dabei werden vor allem zwei Klassen an Materialien unterschieden: I) Polymere, wie beispielsweise PEO und II) anorganische Festkörperelektrolyte wie LLZO oder Thiophosphate.
Aus Anwendungssicht ist der wesentliche Vorteil der hohe Sicherheitstandard dieser Zellsysteme, da sie nur schwer oder nicht entflammbar sind und eine hohe thermische Stabilität aufweisen. Dies ist insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung. Außerdem wird erwartet, dass dadurch perspektivisch die Verwendung von Lithium-Metall an der Elektrode ermöglicht wird, wodurch die Energiedichte der Systeme deutlich gesteigert wird.
In unserer Abteilung werden für die Modellierung und Simulation beider Systeme, sowohl die theoretischen Grundlagen gelegt, als auch erste Anwendungsfälle untersucht. Insbesondere ist CEC an dem Kompetenz-Cluster Festbatt und einer deutsch-amerikanischen Initiative zur Erforschung von Festkörperbatterien beteiligt. In diesem Rahmen sollen eine Reihe fundamentaler Fragestellungen bezüglich der eingesetzten Materialien, Methoden, Modelle, Zellarchitektur und Fertigungsprozesse beleuchtet werden um damit eine Kommerzialisierung dieser Technologie vorzubereiten.
Polymere
Polymerelektrolyte sind eine wichtige Klasse von Festelektrolyten. Polymere sind sehr vielfältig und ihre Eigenschaften können durch Einbringung zusätzlicher funktionaler Elemente eingestellt werden. Zu den relevanten Eigenschaften zählen die ionische Leitfähigkeit, die Elastizität, das elektrochemische Oberflächenverhalten, und die Redox-Stabilität gegenüber den Elektroden. Allerdings ist diese Vielzahl an Polymerelektrolyten auch eine Herausforderung. So ist bei einigen vielversprechenden Polymertypen noch unklar, wie die mikroskopischen Transportmechanismen und Eigenschaften aussehen.
Wir modellieren die elektrochemischen Eigenschaften von Polymerelektrolyten auf der Basis der Nichtgleichgewichtsthermodynamik, motiviert von Ergebnissen aus experimentellen Messungen und von Simulationen auf atomarer Ebene. Die Ergebnisse der Simulationen mit unserem makroskopischen Modell geben dann rückwirkend Aufschluss darüber, welche physikalischen Prozesse welche Auswirkungen auf das Verhalten der gesamten Batteriezelle haben.
Zum Beispiel ist ein Problem von Lithium-Metall-Elektroden die Bildung von Dendriten. Ein potentieller Vorteil von Polymerelektrolyten ist das teilweise Unterdrücken von Dendritenwachstum aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften. Die Erkenntnisse aus unseren Simulationen sollen das Verständnis von Polymerelektrolyten vertiefen und die Suche nach potentiellen Kandidaten für den Einsatz in Festkörperbatterien unterstützen.
Anorganische Festkörperelektrolyte
Häufig in Lithiumbatterien verwendete, anorganische Festkörperelektrolyte wie Li7La3Zr2O12 (LLZO), oder und β-Li3PS4 (β-LPS) sind kristalline, bzw. polykristalline Materialien. Während der Herstellung von Elektroden und Separatoren bildet sich ein Gefüge aus Elektrolytkörnern in welches die Aktivmaterialpartikel eingebettet sind. Unregelmäßigkeiten und Defekte in der Gitterstruktur der Elektrolyte beeinflussen Materialeigenschaften, wie z.B. die ionische Leitfähigkeit und die mechanische Stabilität. Anders als in Flüssigelektrolyten, bewegen sich lediglich die Lithium-Ionen über Defekt-Transport-Mechanismen in der Gitterstruktur und tragen zum Ladungstransport bei, während das Anionen-Teilgitter unbeweglich ist. Insbesondere die charakteristische kristalline Struktur von Korn und Korngrenze der jeweiligen polykristallinen Festelektrolyte ist verantwortlich für die effektive ionische Leitfähigkeit. Neben der Mobilität der Lithium-Ionen innerhalb des kristallinen Gitters hat der Übergang der Lithium-Ionen an Korngrenzen einen großen Einfluss auf die effektive Leitfähigkeit der Materialien.
In unserer Arbeitsgruppe wird ein rigoros hergeleitetes Transportmodel zur Beschreibung der Raumladungszonen in kristallinen Festelektrolyten bei Raumtemperatur systematisch weiterentwickelt. Auf Basis dieses Modells tragen wir zum Verständnis der auftretenden Grenzflächenphänomene an Korngrenzen im Elektrolyten, sowie den Grenzflächen zwischen Elektroden und Festelektrolyt bei. Eine wesentliche Erkenntnis unserer Arbeiten ist, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Zellen mit Flüssigelektrolyten Raumladungszonen deutlich stärker ausgedehnt sind und zudem eine Asymmetrie aufweisen. Unsere Parameterstudien und virtuelle Materialmodifikationen geben einen detaillierten Einblick in die limitierenden Prozesse und erlauben damit eine zielgerichtete Weiterentwicklung der verwendeten Materialien.
Parallel zu der oben skizzierten Entwicklung neuer theoriebasierter Modelle werden in der Abteilung auch strukturaufgelöste Simulationsansätze auf Zellebene verfolgt. Dieser Multiskalenansatz ermöglicht es virtuell den Brückenschlag vom Material zur Zellebene zu vollziehen. Die entsprechenden Modelle sind in unserem Battery and Electrochemistry Simulation Tool BEST implementiert und erlauben damit insbesondere die Korrelation der Struktur von Komposit-Elektroden mit elektrochemischen Eigenschaften der Batterie.
Langfristiges Ziel dieser Aktivität ist es auf Basis unserer neuen Modelle für Festelektrolyte ein Werkzeug für die prädiktive Simulation von Festkörperbatterien zu entwickeln um damit limitierende Faktoren zu identifizieren, sowie optimierte Elektroden- und Zelldesigns abzuleiten.