Tragbare Consumer Geräte wie Smartphones sind mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die flächendeckende Etablierung dieser mobilen Geräte machte jedoch erst die Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie möglich. Als vielversprechende Batterietechnologie der nächsten Generation gilt die Feststoffbatterie (All-Solid-State Batterie). Hierbei werden die klassischen Flüssigelektrolyte durch ionenleitende Feststoffe ersetzt. Daraus resultieren einerseits höhere Energiedichten und andererseits eine deutliche Steigerung des sicherheitstechnischen Betriebsverhalten.
Im Rahmen des Projektes sollen hochkapazitive All-Solid-State-Kathoden gefertigt werden. Die Kathoden werden aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt. Hierdurch können die elektrische, sowie die ionische Leitfähigkeit und die Kapazität genau auf die Anforderungen in den verschiedenen Bereichen der Kathode abgestimmt werden. Ein Schlüsselrolle zur Steigerung der Leistungsdichte bildet die Grenzschicht zwischen den unterschiedlichen Schichten innerhalb der Kathode. Damit z.B. eine möglichst gute ionische Leitfähigkeit über die Grenzschicht erreicht werden kann, muss die eine hohe Kontaktflächen aufweisen.
Mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren kann eine gezielte dreidimensionale Strukturierung während des Fertigungsprozesses vorgenommen werden. Aufgrund des schalenförmigen Aufbaues des als Halbzeug verwendeten Pulvers wird Selektives Laser Sintern (SLS) als Fertigungsverfahren genutzt.
Ziel des Projekts ist die Steigerung der Leistungsdichte von All-Solid-State Batterien (ASSB) durch die gezielte Strukturierung von hochkapazitiven Kathoden. Darüber hinaus soll eine Prozesskette für die skalierbare Herstellung entsprechender 3D-strukturierter Elektroden erarbeitet werden.
Dazu wird ein Elektrodenstrukturbaukasten mit darauf abgestimmten additiven und subtraktiven Prozessen zur gezielten zwei- und dreidimensionalen Strukturierung der Feststoffelektrolytkathoden entwickelt. Wesentlicher Gegenstand hierin ist die Entwicklung und Untersuchung von gezielt strukturierten Kompositmaterialien auf unterschiedlichen Skalen mit starker Rückkopplung zwischen Material- und Prozesstechnologie. Neben der praktischen Erhöhung der Energie- und insbesondere Leistungsdichte wird außerdem eine simulationsgestützte Eigenschaftsprädiktion der hierarchischen und gradierten Strukturen zur Erhöhung der Performance erarbeitet und die eigenschaftsbestimmenden Inaktivmaterialien (Separator und Binder) systematisch entwickelt.
Konkrete Forschungsziele von 3D-ASSB sind demnach die Entwicklung:
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Das Forschungsvorhaben „3D-SSB" – 3D-Strukturierung von Solid-State Kathoden zur Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.