Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 06/2023 - 05/2025 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Vector Stiftung |
| Projektfokus: |       |
COFFEE – Cobalt freie Festkörperbatterien mit sulfidischen Elektrolyten
Im Labor für Festkörperbatterien des Fraunhofer ISE, können alle notwendigen Verfahrensschritte von der Fertigung der Elektroden bis hin zum Zellbau unter inerten Bedingungen in der Glovebox durchgeführt werden.
Die Festkörperbatterie (Allsolidstate battery, ASSB), hat in den Bereichen Nachhaltigkeit, Leistungsfähigkeit sowie Sicherheit enormes Potential, und kann die LithiumIonen Batterie mit Flüssigelektrolyt in einigen Marktsegmenten herausfordern oder sogar ersetzen.
Nachhaltige und leistungsfähige Batterien sind ein Schlüsselfaktor in der Energiewende sowie in der Transformation der Verkehrssektoren. Um einen relevanten Beitrag zu leisten, müssen Batterien für den breiten Markt tauglich und somit bezahlbar sein.
Besonders bei den Aktivmaterialien gibt es Möglichkeiten die ASSB voranzutreiben. Daher beschäftigen wir uns im Projekt »COFFEE« damit, Aktivmaterial herzustellen, das in Kombination mit der ASSB-Technologie die E-Mobilität von morgen nachhaltiger und für jedermann bezahlbar macht.
In einer heute kommerziell erhältlichen LithiumIonen Batterie mit Flüssigelektrolyt finden sowohl an der negativen als auch an der positiven Elektrode Zersetzungsreaktionen von bestimmten Elektrolytbestandteilen statt. Diese Zersetzungsreaktionen sind zum Teil notwendig, da ohne sie ein Betrieb der Batterie nicht möglich wäre. Neben der gewollten Bildung der SEI an der negativen Elektrode haben Zersetzungsprodukte des Elektrolyten auch einen Einfluss auf die positive Elektrode. Unter anderem führen diese zu einer Degradation des Aktivmaterials, woraus eine stetige Verringerung der nutzbaren Kapazität und schlussendlich ein Versagen der Batterie folgt.
Konkret führen die Zersetzungsprodukte unter anderem dazu, dass Teile des Aktivmaterials sich im Elektrolyten auflösen. Im Fall der sehr häufig verwendeten NMCMaterialien (LiNixMyCozO2) ist besonders das Mangan anfällig dafür. Um zu Gunsten von Nachhaltigkeit und Kosten auf das teure, giftige und vergleichsweise seltene Metall Cobalt zu verzichten, werden oft Aktivmaterialien mit einem sehr hohen Gehalt an Mangan, verwendet (z.B. LNMO, LiNi0.5Mn1.5O4). Viele Arbeiten beschäftigen sich daher mit der Aufbringung von Schutzschichten auf dem Aktivmaterial, um das Herauslösen des Mangans aus dem Aktivmaterial zu unterbinden. Dasselbe Problem tritt bei vielen nachhaltigen Aktivmaterialien auf, die anstelle von Cobalt andere Elemente verwenden.
Im COFFEE-Projekt verfolgen wir die Strategie die flüssige Phase (Flüssigelektrolyt), welche es zum Herauslösen der nachhaltigen Elemente bedarf, durch eine feste Phase (Festkörperelektrolyten) zu ersetzen. Ein Herauslösen, kann somit nicht mehr stattfinden. Ziel ist es, in einem ersten Schritt ein Aktivmaterial mit sehr hohem Gehalt an nachhaltigen Elementen für die positive Elektrode zu entwickeln. Bei dem Vorhaben soll komplett auf den Einsatz von Cobalt verzichtet, und eine kostengünstige sowie ressourcenschonende Prozessführung verwendet werden. Das entsprechende Aktivmaterial soll im Anschluss in eine ASSB mit sulfidischem Festkörperelektrolyt integriert werden. Sulfidische Festkörperelektrolyte sind ideal, da sie eine hohe Leitfähigkeit für LiIonen besitzen, sich gut verarbeiten lassen und häufig aus nachhaltigen Elementen bestehen.
Im Laufe des COFFEE-Projektes soll somit eine neuartige ASSB entstehen, welches von der Quelle bis zur Zelle nachhaltig ist und für kommende Anwendungen insbesondere im Verkehrssektor eine Alternative zu heutigen Batteriesystemen bietet.