SAFE - Thermische Sicherheitsanalytik von sulfidischen Festkörperbatterien

Abstract

Im Rahmen des SAFE-Projekts wurden die thermische Sicherheit und Transporteigenschaften wichtiger Festkörperbatterienmaterialien (SSB) systematisch untersucht, mit Schwerpunkt auf Li6PS5Cl (LPSCl) und LiNi0,83Co0,11Mn0,06O2 (NCM83). Kommerzielle Materialien wurden unter den Projektpartnern verteilt, um Vergleichbarkeit sicherzustellen (AP 1) Die thermische Stabilität von NCM83, LPSCl und ihrer Verbund-kathode (NCM83–LPSCl) wurde nach Wärmebehandlungen zwischen 100 und 300 °C (UAP 2,1) bewertet. Während die einzelnen Materialien bis zu 300 °C stabil blieben, zeigte der Verbund eine irreversible Degradierung über 200 °C, was auf eine Instabilität der Grenzflächen hinweist. Bei 300 °C wurden Zersetzungsprodukte wie LiCl, Li2S und NiSx nachgewiesen. EIS-Messungen zeigten eine starke Zunahme der elektronischen Leitfähigkeit und eine gleichzeitige Abnahme der ionischen Leitfähigkeit bei der Degradation. Mittels EIS konnte ein kritischer Temperaturbereich von 200–225 °C für ausgeprägte Transportänderungen ausgemacht werden. Da typische SSB-Betriebstemperaturen deutlich unter diesem Bereich liegen, deuten die Ergebnisse auf ein begrenztes thermisches Runaway-Risiko unter normalen Bedingungen hin (UAP 2.3). Die Wärmeleitfähigkeit von NCM83, LPSCl und verwandten sulfidischen festen Elektrolyten wurde auf unter 1 W·m⁻¹· K⁻¹ bestimmt. Die Leitfähigkeiten liegen damit in der gleichen Größenordnung wie die flüssiger Elektrolyte (UAP 3.1). Temperaturabhängiges Verhalten deutet auf Beiträge sowohl phononenartiger als auch diffusonähnlicher Wärmetransport hin. Zusammengesetzte Kathoden mit unterschiedlichen NCM83-Volumenfraktionen zeigten starke zusammensetzungsabhängige ionische und elektronische Leitfähigkeiten aufgrund von Perkolations-und Tortuositätseffekten (UAP 3.2). Ein Widerstandsnetzwerkmodell wurde entwickelt, um sowohl Wärme- als auch Ladungstransport zu beschreiben und vorherzusagen und die Optimierung des Verbundelektrodendesigns zu unterstützen.