FestBatt2 - Thio - Zellplattform Thiophosphate

Abstract

Die Bewertung und Optimierung von Materialien für Festkörperbatterien ist ein zentraler Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung. Während der Projektlaufzeit wurden daher neuartige sulfidische und halogenidische Festkörperelektrolyte entwickelt, der gezielte Einsatz von Additiven untersucht und die Festelektrolytkompositionen in Festkörperbatterien evaluiert. Ziel war dabei die Reduktion des inneren Widerstands durch verbesserte ionische Leitfähigkeit neuartiger Festelektrolyte sowie die Erhöhung der (elektro-)chemischen Stabilität der Festelektrolyte gegenüber dem Kathodenaktivmaterial. Dabei wurde gezeigt, dass Li₅.₅PS₄.₅Cl₁.₅ aufgrund der hohen ionischen Leitfähigkeit Flächenbeladungen bis zu 7 mAh·cm⁻² ermöglicht. Es wurde außerdem gezeigt, dass die neue Materialklasse der Oxyhalogenide wie Li₀.₉₅NbO₀.₉₅Cl₄.₀₅, die den Vorteil hoher elektrochemischer Stabilität bietet, Leitfähigkeiten bis zu 10 mS·cm⁻¹ zeigt. Außerdem wurde nachgewiesen, dass kleinere Festelektrolytpartikel zu einer signifikanten Erhöhung der ionischen Leitfähigkeiten in Kompositen und dadurch zu höheren Kapazitäten führen. Verschiedene Mahlverfahren wie Frequenz- und Kugelmahlen wurden daraufhin gezielt eingesetzt um die Auswirkungen der Partikelgrößenreduktion auf Struktur und Ionenleitfähigkeit der Festkörperelektrolyte, sowie auf die Zellperformance von Kompositen aufzuklären. Zusätzlich wurde mit Li₆₋ₓPSe₅₋ₓBr₁₊ₓ neuartige selenhaltige Festkörperelektrolyte mit ionischen Leitfähigkeiten bis zu 8,5 mS·cm⁻¹ entwickelt. Zur Verbesserung der (elektro-)chemischen Stabilität gegenüber dem Kathodenaktivmaterial wurden zudem Zn²⁺-substituierte Argyrodite hergestellt und deren Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie das Degradations- und Zyklisierungsverhalten bei verschiedenen Ladeschlussspannungen systematisch analysiert. Außerdem wurde gezeigt, dass der Zusatz von FeS- und ZnS-Additiven zu Li6PS5Cl zu gesteigerten Ladekapazitäten führt.