21 + 1 Projekte

O1 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
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: 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 Festkörperbatterien optimiert werden. Dieses Teilprojekt hat daher zum Ziel, diese drängenden Forschungs- und Entwicklungsprobleme fokussiert anzugehen.

O2 - Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Mobile Energiespeicher und Elektrochemie
Dr. M. Wolter
Dr. M. Kusnezoff

Das Teilvorhaben fokussiert auf die Herstellung und Verarbeitung des Phosphatfestelektrolyten LATP (Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3). Um die Materialbasis für den Bau von Festkörperbatterien zu schaffen, wird die Synthese optimiert und bis in den Technikumsmaßstab im Kilogrammbereich skaliert. Der zweite Forschungsschwerpunkt zielt auf die Reduktion der Sintertemperatur von LATP. Zum einen werden dabei Sinteradditive untersucht um eine Komponentenfertigung bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Zum anderen soll die reduzierte Sintertemperatur die Herstellung von Kompositkathoden mit LATP als ionenleitender Phase ermöglichen. Hierzu wird das Reaktionsverhalten verschiedener Kathodenaktivmaterialien mit LATP bei erhöhter Temperatur untersucht und eine Reduzierung der Reaktivität durch Beschichtungen auf den Aktivmaterialen angestrebt. Die Arbeiten werden durch die fortlaufende Entwicklung von elektrochemischen Messmethoden begleitet, 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), Institut für Angewandte Materialien (IAM)
Prof. M.J. Hoffmann

LATP und LLTO besitzen ein großes Anwendungspotential als Lithium Ionen leitende 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 niedrigen 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 (LLZ)- und Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP)-Festelektrolyten. Die erforderliche Sintertemperatur für die Verdichtung von Keramiken kann 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) Elektrochemie der Batterien
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.

P2 - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie und Klimaforschung; Helmholtz-Institut Münster (HI MS): Ionics in Energy Storage (IEK-12)
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 - Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Nanochemie
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.

T2 - Justus-Liebig-Universität (JLU) Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
Prof. J. Janek

Prof. W. Zeier (WWU Münster)

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.

T3 - Technische Universität Braunschweig, Institut für Partikeltechnik (iPAT)
Prof. A. Kwade
Dr. P. Michalowski

Im FestBatt-Teilprojekt des iPAT werden unterschiedliche trocken- und nassbetriebene Prozessrouten zur Produktion von Lithiumthiophosphaten entwickelt und hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit evaluiert und bewertet. Besonderer Schwerpunt liegt auf den resultierenden Produkteigenschaften sowie auf der Charakterisierung der Materialeigenschaften zur Ermittlung von Daten für die übergeordnete Methodenplattform. Darüber hinaus sollen systematische Untersuchungen zur Herstellung von Elektroden für Festkörperbatterien durchgeführt werden, um unter anderem Aussagen zur Prozessierbarkeit der hergestellten Festelektrolyte zu erhalten. Anhand der resultierenden Kathoden soll die Qualität unter Berücksichtigung von Prozess- und Produkteigenschaften ermittelt werden.

T4 - Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST), Braunschweig
Prof. A. Kwade

Dr.-Ing. S. Zellmer

Sulfidische Festelektrolyte bzw. Lithiumthiophosphate zeigen aktuell die höchsten ionischen Leitfähigkeiten, jedoch zu hohen Kosten, welche unter anderem durch kleinskalige und zeitintensive Syntheseprozesse entstehen. Industriell skalierbare Produktionsprozesse dieser Elektrolyte sind bisher nicht bekannt. Neben der Materialherstellung stellt auch die Verarbeitung der Elektrolyte in einer Kompositkathode prozesstechnische Herausforderungen dar, deren Umsetzung durch verschiedene Routen, wie die Trocken- und Nassbeschichtung oder die Infiltration von porösen Elektroden denkbar ist. Die Ziele des FestBatt-Teilprojekts am Fraunhofer IST sind daher, die Entwicklung einer skalierbaren und temperierbaren mechanochemischen Syntheseroute in einer entsprechenden Kugelmühle und die Entwicklung eines Infiltrationsprozesses von sulfidischen Festelektrolyten in eine freistehende Kathode.

C1 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), KIT Institut für Angewandte Materialien - Energiespeichersysteme (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, Institut für Energie und Klimaforschung - Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
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 - Philipps 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 (JLU) Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut (PCI)
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), Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffe der Elektrotechnik (IAM-WET)
Prof. E. Ivers-Tiffée
Dr.-Ing. A. Weber

Im Teilprojekt "Mikrostrukturelle und Impedanzspektroskopische Charakterisierung“ werden die in den verschiedenen Materialplattformen entwickelten Elektrolyte, Grenzflächen und Komposite mittels elektrochemischer und tomografischer Charakterisierungsverfahren analysiert. Im Zentrum stehen dabei die elektrochemische Impedanzspektroskopie und die Analyse der Impedanzspektren über die Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten (DRT: Distribution of Relaxation Times), die es ermöglicht leistungs- und kapazitätslimitierende Prozesse in Elektroden und Zellen aufzulösen und über physikochemische Ersatzschaltbildmodelle zu quantifizieren. Ein Fokus liegt auf der hochfrequenten Impedanzanalyse polykristalliner Festelektrolyte zur Quantifizierung von Bulk-, Korngrenz- und Grenzflächenwiderständen. Tomographische Verfahren (FIB/SEM- und Röntgentomographie) zur 3D-Rekonstruktion mehrphasiger Elektroden und daraus abgeleitete charakteristische Mikrostrukturparameter wie auch die Korrelation mit TEM Analysen unterstützen die Interpretation der Messdaten.

D1 - Technische Universität Darmstadt, Materialmodellierung
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 - Westfälische Wilhelms-Universität (WWU) Münster, Institut für Physikalische Chemie / Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie und Klimaforschung - Helmholtz-Institut Münster (HI MS): Ionics in Energy Storage (IEK-12)

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.

D3 - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Ulm, Institut für Technische Thermodynamik, Computergestützte Elektrochemie
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.

D4 - Technische Universität München
Prof. W. Wall

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung und Implementierung neuartiger Modelle und numerischer Methoden, die physikbasierte, vorhersagefähige Simulationen der Elektrochemie-Mechanik-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.

D5 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien (IAM)

Prof. B. Nestler

Dr.-Ing. M. Selzer

Das Teilvorhaben erarbeitet eine clusterübergreifende Forschungsdateninfrastruktur für Festkörperbatteriesysteme, um damit eine transparente, effiziente und nachhaltige wissensbasierte Materialentwicklung durch FestBatt zu ermöglichen. Um eine einheitliche Datenbe- und verarbeitung der Simulations- und Charakterisierungsdaten aus den beiden Methodenplattformen in standardisierten Datenanalysewerkzeugen kompetenzclusterweit einzurichten, sollen optimierte und nutzerangepasste Programmierschnittstellen und Konvertierungsprogramme entwickelt werden. Weiterer Schwerpunkt des Teilvorhabens ist die Entwicklung und individuelle Bereitstellung von Data Science Applikationen für Festkörperbatteriesysteme wie statistische Datenanalyse, Machine Learning-Algorithmen, Korrelations- und Fittingverfahren etc.

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

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

Wissenschaftliche Koordination: Dr. Simon Burkhardt