FB2-SiSuFest - Evaluation von Siliziumanoden in sulfidischen Festkörperbatterien; Teilvorhaben: Komponenten- und Zellherstellung für die Bewertung in mehrlagigen Pouchzellen

Abstract

Aufgrund höherer Energiedichte sind Festkörperbatterien (SSB) derzeit im Fokus als mögliche Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie (LIB). Im Gegensatz zu reaktiven Lithium Metall Anoden könnten SSB mit siliziumbasierten Anoden (Si-SSB) eine wertvolle Alternative darstellen. Si bietet höhere theoretische volumetrische Kapazitäten als metallisches Li bei ähnlich niedrigen Potentialen (EH < 0,35 V vs. Li +/Li). Neben der Nutzung von Si-Partikeln in Kompositelektroden konnte die Gruppe Wiggers (Mitantragsteller) zeigen, dass mithilfe gezielt synthetisierter SiNx-Partikel hohe Kapazitäten und Stabilitäten in Batterien mit flüssigen Elektrolyten erreicht werden können. Interessanterweise zeigen die Materialien bei Lithiierung eine Konversion in Intermediate wie Li 2 SiN 2 und Li 5 SiN3 , welche als Puffermatrix dienen und selbst bereits als Li-Ionenleiter beschrieben wurden. Diese Phasen könnten somit nach der Lithiierung in SSB noch bessere Grenzflächeneigenschaften aufweisen und insbesondere für verbessere Temperatureigenschaften bei tiefen Temperaturen sorgen. Ziel des Vorhabens SiSuFest war eine frühestmögliche Erforschung von SSBs mit nm-skaligen Si und SiN x, um deren Eignung, insbesondere als Kompositmaterialien, zu untersuchen und die entsprechenden Komposite als Alternative zur Lithium-Metall-Anode zu evaluieren bzw. zu etablieren. Aufgrund vielversprechender Vorarbeiten standen sulfidische SSB mit Si- und SiNx-Partikeln (Si/SiN x-SSB) und deren Entwicklung als Vollzelle im Pouchformat im Mittelpunkt. Unter dem Aspekt der Sicherheit und Langzeitstabilität mussten vor allem die Grenzflächen zwischen den einzelnen Materialien systematisch untersucht werden. Im Projekt SiSuFest wurde die Optimierung der elektrochemischen Eigenschaften, vor allem durch Variation von Kompositzusammensetzungen, Si:N-Verhältnis und Partikelgrößenverteilungen, angestrebt. Das übergeordnete Ziel war eine Evaluierung der möglichen Energie- und Leistungsdichte, der Ratenfähigkeit, des Alterungsverhaltens sowie die Bewertung der Chemomechanik, verbunden mit einer kritischen Betrachtung der Umsetzbarkeit einer Si/SiN x-SSB gegenüber der SSB mit LMA und der „zero-excess“ SSB im Kompetenzcluster FestBatt.