Hochleistungs- und Feststoffbatterien auf Basis dreidimensionaler Stromableiter, Teilvorhaben I: Elektrolyt-Polymerisation; AP 2 - Applikation funktionaler Schichten auf 3D-Schaumsubstrate, AP 2.4: Elektropolymerisation zur Applikation von Festelektrolyt

Abstract

Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik: Lithium-Ionen-Batterien mit 3D-Elektroden besitzen aktuell noch keine kommerzielle Relevanz. Die im Projekt durchgeführte Entwicklung einer 3D-Feststoff-Batterie mit verschränkten Elektroden, deren Ausgangsmaterial ein Schaum aus offenen Poren darstellt, könnte eine Energiedichte/Leistungsdichte erreichen, die von Lithium-Ionen-Technologien aktuell nicht erreicht werden. Begründung/Zielsetzung der Untersuchung: Es muss zu einer defektfreien Elektrolytschicht führen, da Störstellen im folgenden Prozessschritt einen Kurzschluss zur Folge hätten. Außerdem muss die ionische Leitfähigkeit der ausgebildeten Schicht ausreichend groß sein und die Schichtdicke sollte möglichst gleichmäßig sein. Die Arbeiten zielten darauf aus, die Möglichkeiten der Beschichtungsmethoden für Schaumsubstrate genauer zu untersuchen und geeignete Elektrolytmaterialien, sowie Bedingungen für die Beschichtung, zu definieren. Methode: Für die Applikation einer Elektrolytschicht als Separatormaterial wurden in diesem Zusammenhang die beiden Verfahren Tauchlackierung (Polymerfestelektrolyte) und Elektropolymerisation (elektroaktive Verbindungen) untersucht, die für die Beschichtung der inneren Struktur des Schaums geeignet sind. Ergebnis: Diverse klassische und speziell synthetisierte Verbindungen wurden auf ihr Polymerisationsverhalten, ihre Eigenschaften nach Überoxidation und Applikation auf 3D-Metallschaum hin untersucht. Polymerfestelektrolyte wurden entwickelt und angepasst, um mittels Tauchlackierung erfolgreich auf die 3D-Schäume appliziert zu werden. Eine Methode zur Darstellung von interpenetrierenden Netzwerken aus Polymerfestelektrolyten und überoxidierten Polymeren wurde entwickelt, um die ionische Leitfähigkeit zu steigern. Schlussfolgerung: Die Elektropolymerisation von elektroaktiven Materialien erfolgt aus einer Elektrolytlösung. Das Aktivmaterial auf dem 3D-Metallschaum kann kein stabiles Spannungsfenster für die Elektropolymerisation garantieren. Es ist selber redoxaktiv und zeigt zu geringe elektrische Leitfähigkeit; daher hohe Resistivität. Tauchlackierung von flüssigem Polymerfestelektrolyt mit anschließender thermischer Aushärtung ist geeignet. Kritischer Punkt ist die ausreichende Beschichtung der 3D-Metallschäume, um Kurzschlüsse zu vermeiden (Schnittkanten und innere Stege). Eine Vielzahl der Beschichtungsvorgänge ist nötig, wodurch wiederum der internen Widerstand zunimmt.

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Current status on science and technology: Lithium-ion batteries with 3D electrodes are not comercially relevant yet. In this project, the development of a 3D solid-state battery with interlaced electrodes, which are based on a metal foam with open pores, could lead to high energy/power densities. These properties are not reached by current lithium-ion technologies. Reason/aim of the investigation: A defect-free electrolyte layer is necessary, because of possible short circuit in the further process. The ionic conductivity has to be high enough and the layer thickness has to be uniform. The work intends to examine the possibilities of the coating process of foam substrates and to define suitable electrolyte materials as well as the conditions for the coating. Method: For the application of an electrolyte layer as separator material were two possible methods examined: the dip coating (solid polymer electrolyte) and the electropolymerization (electroactive compounds), which are suitable for the coating of the inner structure of the metal foam. Result: Various classic and synthesized materials were investigated in relation to their polymerization behavior, properties upon overoxidation and application on 3D metal foam. Solid polymer electrolytes were developed and adjusted to be applied via dip coating on 3D foams. A method for the preparation of interpenetrating networks from solid polymer electrolytes and overoxidized polymers was developed, which leads to enhancement of the ionic conductivity. Conclusion: The electropolymerization of electroactive materials is performed in an electrolyte solution. The active material on the 3D metal foam does not ensure a stable potential window for the electropolymerization. It is redox active by itself and shows too low electrical conductivity, thus a high resistivity. Dip coating of liquid solid polymer electrolyte with subsequent thermal curing is suitable. Crucial point is the sufficient coating of the 3D metal foam to prevent short circuits (cutting and inner edges). A multitude of coating processes is therefor necessary, which leads to the increase of internal resistances.