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Projekt
Design einer Festkörper-Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterie und ihre elektrochemisch-thermodynamische Modellierung und Evaluierung
Fachliche Zuordnung
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Förderung
Förderung von 2010 bis 2016
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 180038628
Dünnschicht Lithium-Ionen Feststoffbatterien werden auf der Grundlage der Ergebnisse von computergestützten thermodynamischen und kinetischen Rechnungen konzipiert und die elektrochemisch-thermodynamischen Eigenschaften der Materialien und Zellen experimentell erforscht. Die Anodenmaterialien basieren auf MA-Al-Si-Legierungen (MA: alle 3d Elemente), die Kathode besteht aus Materialien des Li-Mn-O-MC Systems (MC: Co, Ni, Ti, Al, Si) und für den Feststoffelektrolyt werden Zusammensetzung im Li-V-Si-O System gewählt. Die atomaren und elektronischen Strukturen der amorphen MA-Al-Si Anoden werden systematisch erforscht und die Li-Diffusivitäten durch ab initio Molekulardynamik bestimmt. Die Kriterien für das Material- und Zelldesign sind hohe Li-Mobilitäten und geringe Volumenänderungen. Auf der Grundlage dieses quantenmechanisch geführten Ansatzes zum Werkstoffdesign werden ternäre Verbindungen mit hoher Li-Mobilität und geringer Volumenexpansion mittels kombinatorischer Dünnschichtsynthese abgeschieden. Zur Verifikation der ab initio-Daten werden ausgewählte MA-Al-Si-Anoden hinsichtlich Dichte, Bindung, Zellspannung und Ionenleitfähigkeit charakterisiert und mit den berechneten Daten verglichen. Diese Aktivitäten werden durch CALPHAD-Modellierungen für elektrochemisch aktive Phasen ergänzt. Es sind auch experimentelle Untersuchungen der für die Zell-Leistungsfähigkeit wichtigen thermodynamischen Eigenschaften wie Bildungsenthalpien, Wärmekapazitäten und Phasentransformationen geplant. Verfahren der Dünnschichttechnologie werden unter Anwendung kombinatorischer Methoden für die Schichtsynthese eingesetzt, um Dünnschichtwerkstoffe mit einer großen Vielfalt an chemischen Zusammensetzungen, gewünschter Kristallstruktur und Mikrostruktur gezielt herzustellen. Diese Werkstoffe werden detailliert charakterisiert und die gewonnen Ergebnisse bilden eine Datenbasis für die thermodynamische Modellierung. Sie werden weiterhin benutzt, um komplette Batterie-Zellen für elektrochemische Messungen zu bauen. Die Wärmeentwicklung während des elektrochemischen Zyklierens dieser Zellen und deren Korrelation mit den Materialreaktionen werden mit speziellen Batteriekalorimetern erforscht. Aus diesen Untersuchungen ergeben sich praktische Aussagen zur Funktionalität, Reproduzierbarkeit und Stabilität der Zellen, die ebenfalls für eine iterative Optimierung der Modellierung genutzt werden sollen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Teilprojekt zu
SPP 1473:
WeNDeLIB - Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien
Beteiligte Person
Professor Denis Music, Ph.D.
