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 (Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(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 (LLZO)- 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.