21 + 1 Projekte

O1 - Forschungszentrum Jülich GmbH - IEK1
Prof. O. Guillon
Prof. D. Fattakhova-Rohlfing
Dr. M. Finsterbusch
Dr. S. Uhlenbruck
Dr. F. Tietz

Dieses Teilprojekt fokussiert sich auf die Oxid- und Phosphat-basierten Festelektrolyten. Sie stellen im Gesamtblick auf Sicherheit, Verarbeitungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit gleich zwei ausgesprochen aussichtsreiche Materialklassen: die Oxide wie granatartige LLZ und Phosphat-basierte NaSICON-Strukturen (LATP). Für beide Systeme wurden jedoch Engpässe in der Verfügbarkeit hochqualitativer Materialien für die deutsche Forschungslandschaft identifiziert, außerdem müssen die Materialien hinsichtlich ihrer Weiterverarbeitbarkeit zu Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatterien optimiert werden. Dieses Teilprojekt hat daher zum Ziel, diese drängende Forschungs- und Entwicklungsprobleme fokussiert anzugehen.

O2 - Fraunhofer IKTS
Dr. M. Wolter
Dr. M. Kusnezoff

Das Teilvorhaben fokussiert auf die Entwicklung und Herstellung von Phosphatfestelektrolyten und die Bereitstellung von Referenzmaterialien, die Entwicklung angepasster neuer Methoden, die Skalierung der Synthese in den Technikumsmaßstab und die Bereitstellung amorphe und kristalline Phosphate. Im Fokus des Teilvorhabens stehen Phosphatfestelektrolyte zur Herstellung des Separators als Lithium-Ionen-leitende Trennschicht zwischen Kathoden- und Anodenraum sowie für die Verwendung des Festelektrolyten als Li-Ionen-Leiter in der Kathode. Parallel wird an geeigneten Messmethoden gearbeitet, um die Funktionen der Kompositkathode (Speicherung, Li-Leitung und Elektronenleitung) zu charakterisieren und die verschiedenen Leitungsmechanismen voneinander zu trennen.

O3 - Karlsruher Institut für Technologie, KIT - IAM
Prof. M.J. Hoffmann

LATP und LLTO besitzen ein großes Anwendungspotential als lithiumionenleitende Festkörperelektrolyte, da sie bereits jetzt vergleichbare Kornleitfähigkeiten wie Flüssigelektrolyte aufweisen. Durch die gezielte Substitution von Ti, Al und P bzw. La und Ti sollen sowohl die Leitfähigkeit der polykristallinen Materialien als auch deren Beständigkeit gegenüber metallischem Lithium erhöht werden. Dabei sollen dichte Komponenten bei niedriegen Temperaturen hergestellt werden. Die Sinterung muss drucklos erfolgen, um Einschränkungen beim Design einer elektrochemischen Zelle zu vermeiden. Außerdem sollen erste orientierende Untersuchungen zur Kompatibilität der neuartigen Festkörperelektrolyte mit potentiellen Aktivmaterialien durchgeführt werden.

O4 - Universität Duisburg-Essen
Prof. C. Schulz
PD Dr. H. Wiggers

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Herstellung nanoskaliger Ausgangsmaterialien für die Herstellung von keramischen Lithium-Lanthan-Zirkonat (LLZO)- und Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP)-Festelektrolyten. Die erforderlich Sintertemperatur für die Verdichtung von Keramiken durch Verringerung der Partikelgröße in den Nanometermaßstab deutlich reduziert werden, was sowohl Vorteile für die Prozesstechnik bietet als auch den Verlust von Lithium während der Sinterung reduziert. Darüber hinaus erlauben nanoskalige Ausgangsstoffe im Gegensatz zu mikroskaligen Materialien die Herstellung sehr dünner Schichten, so dass sich deutliche Vorteile bezüglich der Gesamt-Ionenleitfähigkeit aufgrund kurzer Transportwege ergeben.

P1 - Helmholtz-Institut Ulm, HIU
Prof. S. Passerini
Dr. D. Bresser

Ziel des Teilvorhabens ist die Schaffung einer stofflichen Basis für die kritische Bewertung von Polymer-basierten Elektrolytkonzepten für Feststoff-Lithium-Batterien. In den Arbeiten am HIU/KIT geht es um die Identifizierung, Synthese und Prozessierung von Polymer- und Gel-Polymer-Elektrolytsystemen – letztere beinhaltend gering- bis nichtflüchtige flüssige Phasen, wie bspw. ionische Flüssigkeiten – sowie deren grundlegende physikochemische und elektrochemische Charakterisierung, die Analyse und Vorarbeiten zur Hochskalierung der Darstellung ausgewählter Systeme  sowie deren Anwendung in Lithium-Polymer-Zellen. Erhaltene Daten und Ergebnisse werden der Methodenplattform „Daten“ für die Erstellung einer umfassenden Datenbank für Referenzdaten zur Qualitätssicherung zur Verfügung gestellt.

P2 - Helmholtz-Institut Münster, HI MS
Prof. M. Winter
Prof. H.-D. Wiemhöfer
PD Dr. G. Brunklaus

Ziel ist die Erarbeitung stofflicher Grundlagen von Feststoffbatterien unter Nutzung organischer Fest- und Hybridpolymerelektrolyte. Im Vordergrund stehen dabei die Entwicklung, Optimierung und Herstellung aussichtsreicher Fest- und Hybridpolymerelektrolyte. Zudem wird eine Sammlung verlässlicher Referenzdaten aufgebaut, einschließlich Daten zu chemischer und elektrochemischer Stabilität einzelner Materialklassen gegenüber Lithium-Metall und Hochleistungskathodenmaterialien, mittels derer Kriterien zur verlässlichen Bewertung der Materialien und Möglichkeiten zur Bereitstellung von kostengünstigen Verfahren zur Hochskalierung der vielversprechendsten Fest- und Hybridpolymerelektrolyte aufgestellt werden.

P3 - Karlsruher Institut für Technologie, KIT
Prof. P. Théato

Ziel des Teilvorhabens ist die Schaffung einer Basis für die kritische Bewertung von Polymer-basierten Elektrolytkonzepten für die Realisierung von Festkörper-Lithium-Batterien. In den Arbeiten am KIT geht es hierbei vor allem um die Identifizierung und Synthese von Polymer-Elektrolyt-systemen sowie deren grundlegende physikochemische und elektrochemische Charakterisierung, sowie schlussendlich deren Anwendung in Lithium-Polymer-Zellen. Hierbei geht es unter anderem auch um relevante Vorarbeiten zur Realisierung einer stabilen Lithium-Metall-Anode, die für die zweite Projektphase avisiert wird. Überdies sollen die erhaltenen Daten und Ergebnisse der Methodenplattform „Daten“ zur Verfügung gestellt werden für die Erstellung einer umfassenden Datenbank für Referenzdaten zur Qualitätssicherung.

T1 - Justus-Liebig-Universität
Prof. J. Janek
Dr. W. Zeier
Dr. K. Peppler

Das zentrale Ziel ist, die Stabilität bekannter und neuer sulfidischer Elektrolyte gegenüber Kathodenaktivmaterialien und Lithium zu testen, die resultierenden Transporteigenschaften in Testzellen zu evaluieren und Reaktionswege aufzuklären, um gegebenenfalls geeignete Schutzkonzepte vorzuschlagen. Außerdem werden die Bedingungen für die langzeitstabile und reversible Lithiummetallanode in sulfidischen Feststoffzellen exploriert. Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sulfidischer Festelektrolyte werden analysiert und der Einfluss des Syntheseprozesses auf die Phasenentstehung und deren Leitfähigkeiten erarbeitet, um optimale Synthesebedingungen zu identifizieren.

T2 - Fraunhofer CES, Abteilung EVA
Prof. A. Kwade

Schwefelbasierte Festelektrolyte zeigen die höchsten ionischen Leitfähigkeiten und gleichzeitig die geringste Materialverfügbarkeit bzw. höchsten Synthesezeiten. Skalierbare Prozesstechnologien zur Herstellung dieser Elektrolyte sind bisher nicht bekannt. Neben der Herstellung stellt auch die Verarbeitung in einer Kompositkathode Herausforderungen dar, da die Fest-/Festgrenzflächen (z.B. Aktivmaterial/Festelektrolyt) häufig nicht homogen oder instabil sind. Ziele des Teilprojekts sind daher, die Entwicklung einer skalierbaren und temperierbaren Synthesemühle und die Entwicklung eines skalierbaren Infiltrationsprozesses von schwefelbasierten Festelektrolyten in eine freistehende Kathode.

T3 - MPI für Festkörperforschung, Stuttgart
Prof. B. Lotsch

Obwohl Thiophosphate die derzeit höchsten Leitfähigkeiten unter den Festelektrolyten aufweisen, ist ihre Anwendung in Festkörper-Batterien infolge von Mikrostruktureffekten und SEI-Bildung und den daraus resultierenden Kontaktwiderständen noch limitiert. Die geringe (elektro-)chemische Stabilität sulfidischer Festelektrolyte gegenüber den Elektroden stellt zudem die Zyklenstabilität dieser Systeme infrage. Ziele sind, die Verbesserung der Lithium-Ionenleitfähigkeit, die Erschließung neuartiger sulfidische Ionenleiter und die Entwicklung von Festelektrolyten , die gegenüber den Elektroden entweder kinetisch inert sind oder durch Ausbildung geeigneter Interphasen stabilisiert werden können.

T4 - TU Braunschweig, iPAT
Prof. A. Kwade
Dr.-Ing. S. Zellmer

Das Teilprojekt des iPAT entwickelt, evaluiert und bewertet unterschiedlich trocken und nass-betriebene Prozessrouten hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit zur industriellen Produktion von Lithiumthiophosphaten. Besonderer Schwerpunt liegt auf den resultierenden Produkteigenschaften sowie auf der Charakterisierung der Materialeigenschaften zur Ermittlung von Daten für eine übergeordnete Materialplattform. Darüber hinaus sollen systematische Untersuchungen zur Herstellung von Elektroden durchgeführt werden und die Qualität der resultierenden Kathoden unter Berücksichtigung von Prozess- und Produkteigenschaften ermittelt werden, um eine Maßstabsübertragung des Zellbaus in der 2. Projektphase zu ermöglichen.

C1 - Karlsruher Institut für Technologie, KIT IAM -ESS
Prof. H. Ehrenberg
Dr. Michael Knapp
Dr. Sylvio Indris

Ziel des Projekts ist die strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung der eingesetzten und synthetisierten Materialien, sowie die Ermittlung von Reaktionswegen während der Synthese soweit sie die Ausbildung kristallographischer Phasen betrifft. Daneben sollen an ausgewählten Festelektrolyten die Lithium Diffusionswege bestimmt werden. In ungeordneten, teilkristallinen und amorphen Systemen sollen strukturelle Informationen erarbeitet werden. Die erhaltenen Strukturdaten werden einerseits der Plattform ‚Daten‘ zur Erfassung innerhalb einer Datenbank und zur Modellierung erfolgversprechender Materialien zur Verfügung gestellt. Andererseits werden die Ergebnisse direkt in die Optimierung und Anpassung der Prozess- und Syntheserouten der Materialplattformen einfließen.

C2 - Forschungszentrum Jülich GmbH, FZJ IEK9
Prof. R. Eichel
Dr. J. Granwehr

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Methoden zur direkten Bestimmung der Ionenmobilität und deren Einsatz zur Charakterisierung von  Materialien. Im Zentrum soll dabei die Einsetzbarkeit für eine breite Palette an Materialklassen, die einfache Analysierbarkeit der Daten sowie die Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl an untersuchten Proben stehen. Im Fokus stehen Methoden zur Bestimmung der Diffusionskonstanten sowie Methoden und Aufbauten, womit die Proben auch unter Potential betrieben werden können. Schliesslich sollen diese Techniken auf eine breitere Auswahl an Proben aus den Materialplattformen angewandt und die erhaltenen Messungen via Plattform ‚Daten‘ für die Materialmodellierung sowie Materialoptimierung zur Verfügung gestellt werden.

C3 - Universität Marburg
Prof. K. Volz
Dr. A. Beyer

Das Teilprojekt trägt durch quantitativen Strukturdaten der Materialien zur Schaffung einer Datenbasis bei.  Zum einen werden die globale Struktur, Kristallitorientierung und Zusammensetzung der Komposite quantifiziert, zum anderen werden auch die atomare Anordnung und lokale Zusammensetzungen an verschiedenen Grenzflächen adressiert. Die Ziele sind im Besonderen, die Optimierung der elektronenmikroskopischen Probenpräparation und der Messbedingungen für die untersuchten Materialien, die Bestimmung der Struktur der Materialien sowie die Quantifizierung der Zusammensetzung für die verschiedenen Materialien.

C4 - Justus-Liebig-Universität Gießen Teilprojekt
Prof. J. Janek
Dr. J. Sann
Dr. M. Rohnke

Das Teilprojekt hat das zentrale Ziel, das Verständnis von Grenzflächenreaktionen zu fördern und optimierte Festelektrolyte zu entwickeln. Der Bau von leistungsfähigen Festkörperbatterien erfordert den Einsatz von Lithiummetall (Anode) und Kathodenmaterialien, welche mit den meisten verfügbaren Festelektrolyten reagieren. Die dabei entstehenden Grenzschichten führen in der Regel zu einer Erhöhung der Elektroden- und Zellimpedanz. Ziel ist es, die Grenzschichten der verschiedenen Festelektrolyten zu charakterisieren und vergleichend zu beschreiben. Gegen Ende des Projektes soll eine umfassende Analyse der Grenzschichten von Festelektrolyten im Kontakt mit Lithium und Kathodenmaterial vorliegen.

C5 - Karlsruher Institut für Technologie, KIT IAM-WET
Prof. E. Ivers-Tiffée
Dr.-Ing. A. Weber

Lore ipsum

D1 - TU Darmstadt
Prof. K. Albe
Dr. J. Rohrer

Das Teilvorhaben liefert die atomistische Modellierung der Struktur und thermodynamischen Eigenschaften neuer oder verbesserter sulfidischer Festelektrolyte mit Hilfe von Elektronenstrukturrechnungen innerhalb der Dichtefunktionaltheorie, die Vorhersage von kinetischen Parametern unter Einfluss elektrischer und mechanischer Feldgrößen, und die Charakterisierung von Grenzflächenreaktionen. Für kristalline Festelektrolyte und amorphe Systeme sollen realistische Strukturmodelle erarbeitet und im Hinblick auf ihre thermodynamischen Eigenschaften charakterisiert werden. Die berechneten strukturellen Eigenschaften lassen sich direkt für die Interpretation der Daten aus der Methodenplattform Charakterisierung einsetzen und finden Eingang in die Referenzdatenbank.

D2 - DLR am Helmholtz-Institut Ulm
Prof. A. Latz
K. Becker-Steinberger

Im Rahmen der mesoskopischen elektrochemisch-physikalischen Modellierung und Simulation sollen sowohl die Transporteigenschaften als auch die Grenzflächeneigenschaften der verschieden Festelektrolytklassen durch Simulationen zielgerichtet abgeleitet, untersucht und bewertet werden. Ziel ist die Entwicklung von einzelnen physikalisch-chemischen Transportmodellen für die verschiedenen Festelektrolytklassen, die jeweils die komplexe Kopplung zwischen ionischer und elektronischer Ladungsträgerverteilung, Wärmeverteilung, Potential-, Druck- und Stressverteilung und deren Auswirkung auf den Transport und den elektrischen Strom beschreiben. Ziel ist darüber hinaus, die vereinheitlichte detaillierte Modellierung von Grenzflächeneigenschaften und Prozesse sowie ihrer Wechselwirkungen für die verschiedenen Materialkombinationen.

D3 - WWU Münster / Helmholtz-Institut Münster
Prof. A. Heuer
Dr. D. Diddens

In diesem Teilprojekt werden auf atomistischer Skala Molekulardynamik-Simulationen an relevanten polymerbasierten Elektrolyten durchgeführt. Dabei werden die strukturellen, dynamischen und energetischen Eigenschaften sowohl mit als auch ohne Grenzflächen untersucht. Es besteht sowohl ein enger Kontakt zu den ab initio als auch zu den kontinuierlichen Skalen. Auch besteht das Ziel, einen optimalen Datenaustausch zwischen den Beschreibungsebenen zu entwickeln. Für Systeme, die sich als zentral herausstellen, sollen auch die Eigenschaften in der Nähe von Grenzflächen untersucht werden.

D4 - Karlsruher Institut für Technologie, KIT IAM
Prof. B. Nestler
Dr.-Ing. M. Selzer

Das Teilvorhaben erarbeitet eine Forschungsdateninfrastruktur für Festkörperbatteriesysteme erarbeiten und clusterübergreifend zur Verfügung stellen, um eine transparente, effiziente und nachhaltige wissensbasierte Materialentwicklung durch FestBatt zu ermöglichen. Innerhalb der beiden Methodenplattformen der computergestützten Modellierung und der experimentellen Charakterisierung und Prozessierung werden entlang einer skalenübergreifenden Kette von atomistischer Struktur-Eigenschaftsbeziehung, über mikrostrukturelle Zusammenhänge bis zur makroskopischen Skala von Halb- und Vollzellen riesige Datenvolumina (Big Data) erzeugt. Es werden nutzerangepasste Programmierschnittstellen und Konvertierungsprogramme entwickelt werden. 

D5 - TU München, TUM
Prof. A. Wall

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung und Implementierung neuartiger Modelle und numerischer Methoden, die physikbasierte, vorhersagefähige Simulationen der ElektrochemieMechanik-Interaktion in Feststoffbatterien (ASSB) ermöglichen. Insbesondere sollen der Einfluss der Kontaktmechanik, komplexe Vorgänge am Interface und die wechselseitige Beeinflussung mechanischer und elektrochemischer Eigenschaften im Fokus stehen. Darüber hinaus werden Informationen aus kleineren Skalen (bspw. aus atomistischen Simulationen) über Ersatzmodelle und Mehrskalenansätze genutzt.

K - Justus-Liebig-Universität
Prof. J. Janek
Dr. T. Leichtweiß
Dr. J. Sann

Das Begleitprojekt dient der Koordinierung der Zusammenarbeit der Plattformen sowie der Vernetzung des Clusters mit dem Managementkreis, dem Projektträger, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und weiteren thematisch naheliegenden Projekten.