KAROFEST - Kationen-Anionen RedOx Aktivmaterialien für Feststoffbatterien

Abstract

Im Projekt „KAROFEST“ wurde das sulfidische Kathodenmaterial Li2FeS2 für Festkörperbatterien etabliert. Gemeinsam mit dem Festelektrolyten Li5.5PS4.5Cl1.5 wurden beide Materialien in AP 1.1 und 1.2 synthetisiert, wobei der Elektrolyt zentral verteilt wurde, um Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Aktivmaterialien zu gewährleisten (AP 1.3). Die Qualitätssicherung erfolgte durch Röntgendiffraktion und Impedanzspektroskopie (AP 3.1).

In AP 2 wurden Kompositkathoden mit bis zu 74 Vol.-% Li₂FeS₂ hergestellt. Elektronenmikroskopie und Leitfähigkeitsmessungen zeigten, dass die Kathodenausnutzung bei niedriger Flächenbeladung unabhängig von der Zusammensetzung konstant blieb – erklärbar durch die Theorie poröser Elektroden. Dies ermöglichte eine Steigerung der Flächenbeladung mit vierfacher Flächenkapazität, jedoch auf Kosten der Ratenfähigkeit (AP 3.4).

Eine Parameterstudie zur Kompositverarbeitung in der Frequenzmühle offenbarte, dass die Partikelgröße des Festelektrolyten die Mikrostruktur limitiert hatte. Durch optimierten Energieeintrag wurden homogenere Kathoden mit höherer Ausnutzung erzielt (AP 2.3, 3.1, 3.4). Zudem wurde der Einfluss des externen Drucks untersucht: Auch bei 10 MPa arbeiteten die Zellen noch, jedoch mit reduzierter Kapazität infolge erhöhten Zellwiderstands (AP 3.4).

Die abschließende Evaluation (AP 4) anhand gravimetrischer Energie- und Leistungsdichten zeigte das hohe Optimierungspotenzial von Li2FeS2 in diesem frühen Entwicklungsstadium.