"REFA" - Entwicklung eines Referenzelektrodenkonzepts für Festkörperakkumulatoren und Integration dieses Konzepts; Teilvorhaben: Entwicklung einer marktreifen Messzelle zur elektrochemischen Untersuchung von Festelektrolyten und Festkörperakkumulatoren in einer 3-Elektrodenanordnung

Abstract

Die spezifische Kapazität eines kommerziellen Akkumulators bestimmt zusammen mit der Zellspannung die praktisch nutzbare spezifische Energie. Standardmäßig wird die spezifische Kapazität während des Entladens eines Akkumulators ausgehend vom geladenen Zustand in einer 2-Elektrodenkonfiguration bestimmt. Jedoch ist es bei einer Messung in einer 2 Elektrodenkonfiguration nicht möglich, auf die individuellen Beiträge der einzelnen Elektroden zur Gesamtperformance bzw. -kapazität zu schließen. Dies ist nur dadurch möglich, dass eine RE in das System eingebracht wird. Übergreifendes Ziel dieses Verbundvorhabens war es, geeignete Materialien und Geometrien von Referenzelektroden für festkörperbasierte Akkumulatoren zu finden, zu charakterisieren und schließlich in Labormessezellen zu implementieren. Die Implementierung der Referenzelektroden stellt bei festen Proben im Gegensatz zu flüssigen Proben eine erhebliche Herausforderung dar. Das Teilvorhaben von RHD konzentrierte sich in diesem Projekt auf die Entwicklung der nötigen Hardware, also Pressaufbauten, mit denen die Festkörperproben innerhalb der nötigen Druckbereiche untersucht werden können, sowie die Entwicklung der eigentlichen Messzellen, die dann die Implementierung geeigneter Referenzelektroden in feste Proben ermöglichen. Diese müssen dort unter Ausschluss der Atmosphäre, unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen betrieben werden. Weiterhin wurden bei RHD auch zahlreiche Test- und Validierungsmessungen an unterschiedlichen Referenzelektrodensystemen durchgeführt. Dies diente insbesondere auch der direkten Optimierung der Geometrien und der entwickelten Messzellen. Am Ende dieser Entwicklung steht nun eine ganze Produktlinie, die der Forschungsgemeinschaft eine einfach zu handhabende, robuste und reproduzierbare Möglichkeit an die Hand gibt, Festkörperbatteriesysteme im Detail in Dreielektodenkonfigurationen zu analysieren. The specific capacity of a commercial battery, together with the cell voltage, determines the practically usable specific energy. Typically, the specific capacity is determined during battery discharge, starting from the charged state in a two-electrode configuration. However, when measuring in a two-electrode configuration, it is not possible to determine the individual contributions of each electrode to the overall performance or capacity. This is only possible by incorporating a reference electrode into the system. The overall goal of this collaborative project was to identify and characterize suitable materials and geometries for reference electrodes for solid-state batteries, and ultimately implement them in laboratory test cells. Implementing reference electrodes for solid samples presents a significant challenge, unlike liquid samples. RHD's subproject in this project focused on the development of the necessary hardware, i.e., press setups that allow the solid-state samples to be examined within the required pressure ranges, as well as the development of the actual measuring cells, which then enable the implementation of suitable reference electrodes in solid samples. These must be operated in the absence of atmosphere, under controlled pressure and temperature conditions. Furthermore, RHD also conducted numerous test and validation measurements on various reference electrode systems. This also served, in particular, to directly optimize the geometries and the developed measuring cells. The culmination of this development is now an entire product line that provides the research community with an easy-to-use, robust, and reproducible method for analyzing solid-state battery systems in detail in three-electrode configurations.