FB2-SiSuFest - Bewertung von Siliziumanoden in Festkörper-Sulfidbatterien; Teilprojekt: Synthese von SiNx Aktivmaterialien im Rahmen von FB2-SiSuFest

Abstract

Ziel dieses Teilvorhabens im Rahmen des SiSuFest-Projektes war es, Siliziumnitrid Nanopar-tikel mittels eines Gasphasenprozesses herzustellen und diese in Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern bezüglich ihrer Performanz in Li-Feststoffbatterien zu optimieren, um im Vergleich zum Stand der Technik Festkörperbatterien mit höheren Flächenbeladungen und höherer Lebensdauer zu ermöglichen. Siliziumreiches Siliziumnitrid SiNx ist ein äußerst aus-sichtsreiches Konversionsmaterial für die Verwendung in Festkörperbatterien, das im Unter-schied zum SiOx lithiumhaltige Phasen mit äußerst hoher Lithiumionen-Leitfähigkeit ausbildet. Die zu untersuchenden Optimierungsparameter waren das Silizium/Stickstoff-Verhältnis so-wie Morphologie und Partikelgröße. Es konnte gezeigt werden, dass sich die bisher im Labormaßstab durchgeführten Synthesen nach Anpassung der Prozessparameter in den Pilotmaßstab übertragen ließen und Synthe-sen mit hervorragender Reproduzierbarkeit möglich waren. Das Silizium/Stickstoff-Verhältnis konnte in weiten Grenzen zwischen 1/0,15 und nahezu 1/1 variiert werden, wobei in allen Fäl-len die gewünschten homogenen, amorphen Materialien hergestellt werden konnten. Materia-lien mit einer Stöchiometrie um 0,45 < x < 0,65 erwiesen sich als besonders geeignet, da sie einen guten Kompromiss zwischen Kapazität und Langzeitstabilität aufweisen. Untersuchun-gen zur Variation der Partikelgröße ergaben, dass Materialien mit einer mittleren Partikelgröße um 150 nm eine gute Performanz zeigen während kleinere Partikel aufgrund des hohen Ober-fläche-zu-Volumen Verhältnisses zusehends unter unerwünschten parasitären Oberflächen-reaktionen leiden. Auf der anderen Seite zeigte sich, dass bei Materialien mit höherer Partikel-größe (untersucht wurden Partikelgrößen bis etwa 400 nm) Effekte auftreten, die auf eine Transportlimitierung hindeuten, so dass die Kapazität dieser Materialien zum Teil nicht voll-ständig genutzt werden kann. Für den Pilotreaktor an der UDE konnten Produktionsraten bis zu 1 kg/h realisiert werden, was mehr als ausreichend war, auch den größeren Materialbedarf des Projektpartners Fraunhofer IWS zu decken. Auf Basis der während der Synthesen erfassten Betriebsparame-ter und Energiebedarfe wurde eine Abschätzung bezüglich der Herstellungskosten für Silizi-umnitrid gemacht und diese auch grob für einen Produktionsprozess abgeschätzt. Dabei zeigt sich, dass die Kosten für die Herstellung des SiNx im Wesentlichen von den Kosten für Mono-silan abhängen. Auf Basis aktuell verfügbarer Zahlen wurde abgeschätzt, dass bei einer Jah-reskapazität von 1500 Tonnen SiNx die Herstellungskosten auf unter 50 €/kg sinken, was – bereinigt um die Speicherkapazität der Materialien – in etwa die Gewinnschwelle im Vergleich zu Graphit als Anodenmaterial darstellt. Zusammenfassend lässt sich daher feststellen, dass siliziumreiches SiNx ein vielverspre-chendes Anoden-Aktivmaterial für Lithium-Ionen-Batterien ist, das sich reproduzierbar in einer hervorragenden Qualität mittels Gasphasensynthese herstellen lässt und dessen Herstel-lungskosten wettbewerbsfähig sind.