Two Concepts for Solid Electrolytes to Increase Battery Capacity and Safety using Lithium Metal Anodes
Final Report Abstract
Die Entwicklung von Festkörperbatterien ist einer der Schlüsselansätze, um die Batteriesicherheit zu erhöhen und gleichzeitig die Energiedichte in Kombination mit einer Lithium-Metall-Anode zu verbessern. Diesbezüglich liegen die Herausforderungen bei den Festelektrolyten und deren Grenzflächen zu den Elektroden. Deren Erforschung konzentrierte sich bislang vor allem auf polymere sowie keramische Materialien, aber auch Polymer-Keramik-Verbundwerkstoffe wurden untersucht, um die Ionenleitfähigkeit, die mechanischen Eigenschaften oder die Grenzflächenadhäsion zu verbessern. Das Hauptziel dieser Forschungsstudie war es, 3D-geordnete, bikontinuierliche Keramik- Polymer-Hybrid-Elektrolyte zu entwickeln, welche eine gute Ionenleitfähigkeit durch die Keramikphase beibehalten und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften durch die nichtleitende Polymerphase verbessern. Stereolithographie wurde verwendet, um 3D- geordnete Template mit Kanälen in der Größenordnung von zehn Mikrometern zu drucken. Die inverse Replikation dieser Strukturen wurde durch die Entwicklung einer neuen Synthesemethodik erreicht, welche die gedruckten Template verwendet, um keramische Festelektrolyte mit kontinuierlicher Ionenleitung und 3D-vernetzten Mikrokanälen zu erzeugen. Die Imprägnierung der Mikrokanäle mit Polymer und anschließendes mechanisches Polieren bildete den 3D-geordneten bikontinuierlichen Keramik-Polymer-Hybrid-Elektrolyt. Der keramische Elektrolyt allein erwies sich als weniger stabil mit Lithiumelektroden als erwartet, und die Rissbildung während der galvanostatischen Zyklisierung in einer symmetrischen Lithiumzelle bewirkt mit den verwendeten Versuchsparametern, dass das Keramikpellet nach etwa 20 Zyklen versagt. Allerdings zeigte die mechanische Prüfung, dass der Keramik-Epoxidharz-Hybrid-Elektrolyt stärkerer Verformung standhält im Vergleich zu dem keramischen Elektrolyt allein. Darüber hinaus scheint die Polymerphase den Zusammenhalt des Hybrid-Materials auch nach dem Bruch der keramischen Phase zu gewährleisten. Folglich verdoppelt sich die Anzahl der erreichbaren Zyklen vor dem Versagen auf etwa 40, wenn man die gleiche effektive Stromdichte durch die keramische Phase des Hybrid-Elektrolyten anlegt, wie durch das Keramikpellet allein. In Nebenprojekten wurden vernetzte Polyelektrolyte, Polymer-Verbundelektrolyte und Festkörperbatterien durch elektrochemische Impedanzspektroskopie und Elektronenmikroskopie untersucht.
