SPP 1473: Materials with New Design for Improved Lithium Ion Batteries - WeNDeLIB
Chemistry
Computer Science, Systems and Electrical Engineering
Physics
Final Report Abstract
Das elektrochemische Eigenschaftsprofil und die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien werden entscheidend von den thermodynamisch-kinetischen Eigenschaften der für den Zellbau verwendeten Aktivmaterialien beeinflusst. Die wissenschaftliche Kenntnis dieser funktionalen Zusammenhänge bildet die Grundlage, um Batterien mit optimalen Energie- und Leistungsdichten, Kapazitäten sowie hoher Lebensdauer und optimiertem thermischem Verhalten zu konstruieren. Im DFG-Schwerpunktprogramm SPP1473 (WeNDeLIB) wurden daher die Eigenschaften von neuen Aktivmaterialien unter besonderer Berücksichtigung ihres Verhaltens im Gesamtsystem „Lithium-Ionen-Batterie“ erforscht. Hieraus ergaben sich die wissenschaftlichen Hauptziele des Schwerpunktprogrammes: (1) Erforschung von Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation: Thermodynamischkinetische und kristallchemische Untersuchungen sowie Aufklärung der Phasendiagramme durch werkstoffwissenschaftliche Experimente und Analysen unterstützt durch Modellierungen und Simulationen (DFT, CALPHAD), (2) Korrelation der thermodynamisch-kinetischen Eigenschaften und Phasendiagramme der Batteriematerialien mit dem elektrochemischem Eigenschaftsprofil von Lithium-Ionen-Batterien, (3) Erforschung des thermischen Verhaltens und des funktionalen Zusammenwirkens der Werkstoffe beim Betrieb von Lithium-Ionen- Batterien, (4) Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen zur Vorhersage des Eigenschaftsprofils neuer Lithium-Ionen-Batterien und damit zum verbesserten Zell-Design. Entsprechend dieser Ziele wurden von den Verbundprojekten thermodynamische Eigenschaften (spezifische Wärmekapazitäten, Enthalpien, Entropien, chemische Potentiale) und Phasendiagramme von zahlreichen Aktivmaterialien für positive (z.B. NMC, LFP und LMO) und negative Elektrodendesigns (Silicide, Stannide, Übergangsmetalloxide, Precursor- Keramiken) ermittelt. Die experimentellen Untersuchungen und Analysen wurden durch DFT- Rechnungen und CALPHAD-Modellierungen unterstützt. Auf dieser Grundlage und durch die standortübergreifende Projektkoordination konnten erstmals analytische Funktionsbeschreibungen der Freien Enthalpien für binäre und ternäre „Batteriesysteme“ aufgestellt werden (Computer-Datensätze erhältlich). Die elektrochemischen Eigenschaften (z.B. Leerlaufspannungen, coulometrische Titrationskurven, Kapazitäten) wurden auf dieser Grundlage berechnet und durch den Betrieb von eigens hergestellten elektrochemischen Zellen verifiziert (Swagelok®-, Knopf-, Pouch-Zellenformate). Das thermische Verhalten von zahlreichen elektrochemischen Zellen während des Betriebs wurde mit den im SPP1473 angeschafften Kalorimetern (Accelerating Rate Calorimeter, ARC) quantitativ ermittelt. Eine Fokus-Gruppe „Kalorimetrie“ koordinierte diese Arbeiten mit den Aktivitäten zur Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC), Dünnschicht-Kalorimetrie und Einwurf-Lösungskalorimetrie. Ausgesuchte Ergebnisse der Arbeiten im SPP1473 sind im Sonderheft des International Journal of Materials Research, Vol. 108, 11 (2017) in zwölf Artikeln ausführlich dargestellt.
