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

1. 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 5. 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.