Oxidische Keramiken als Elektrolyte für Festkörperbatterien

Der Einsatz von Feststoffelektrolyten in Lithiumionenbatterien wird als erfolgversprechender Lösungsansatz gesehen, den steigenden Anforderungen an die Energie-dichte und die Sicherheit gerecht zu werden. Eine Herausforderung dabei besteht in der Synthese geeigneter Festkörperelektrolyte mit hoher ionischer Leitfähigkeit und in der Integration dieser Werkstoffe als funktionale Elektrolyte innerhalb des Zellaufbaus. Im Fokus dieser Arbeit stehen dafür oxid-basierte Vertreter der Festkörperelektrolyte.
In Bezug auf die Materialentwicklung wird grundlegend untersucht, welche Faktoren für die Derivate der Struktur Li1+xMxTi2-x(PO4)3 einen Einfluss auf die Verdichtung und die ionische Leitfähigkeit haben. ... mehrDafür wird systematisch sowohl die Größe als auch die Menge der Substitutionsionen in der Struktur mit M = Al3+, Fe3+ und Sc3+ variiert. Der Herstellungsprozess dieser Materialien wird ausgehend von der Sol-Gel-Synthese, über die Aufbereitung der Pulver, bis hin zu den Sinterbedingungen der keramischen Proben betrachtet und analysiert. Dabei werden die Zusammenhänge zwischen der Mikrostrukturausbildung, dem Anteil an Fremdphasen und den Eigenschaften der Elektrolyte herausgearbeitet. Zusätzlich werden für das ionisch leitfähigste Material Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, mit einer ionischen Leitfähigkeit von 1·10-3 S/cm bei Raumtemperatur, in Bezug auf eine skalierbare Produktion geeignete Prozessparameterbereiche aufgezeigt.
Im Hinblick auf die funktionelle Integration der oxidischen Elektrolyte in einer Feststoffzelle werden die Prozessparameter für die Formgebung mittels Foliengieß- und Replika-Verfahren für die Materialien Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3 und Li0,33La0,557TiO3 erarbeitet. Anschließend werden aus den erhaltenen Grünkörperelementen tragfähige Elektrolytstrukturen co-gesintert, die durch Infiltration mit Aktivmaterialien zu Vollzellen komplettiert werden können. Erste Zyklierversuche bestätigen die prinzipielle Funktion der Festkörperbatterien und geben Hinweise für eine effiziente Gestaltung des Aufbaus.

The use of solid electrolytes in lithium-ion batteries is seen as a promising solution to meet the increasing demands in energy density and safety. A challenge is on the one hand the synthesis of suitable solid electrolytes with high ionic conductivity and on the other hand the integration of these materials as functional electrolytes with-in the cell structure. This study focuses on the oxide-based representatives of solid electrolytes.
With regards to material development, the factors which influence the densification and the ionic conductivity of the derivatives of the structure Li1+xMxTi2-x(PO4)3 are fundamentally investigated. ... mehrFor this purpose, the size and the amount of substitution ions in the structure are varied systematically with M = Al3+, Fe3+ and Sc3+. The manufacturing process of these materials is developed and analyzed from the sol-gel synthesis, to the preparation of the powder and the sintering conditions of the ceramic samples. The relationships between the microstructure formation, the fraction of secondary phase and the properties of the electrolytes are identified. Consecutively, as preliminary work for a scalable production, suitable process pa-rameter ranges for the most viable material Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3, with an ionic conductivity of 1·10-3 S/cm, are defined.
Furthermore, with respect to the functional integration of the oxide electrolytes in a solid state cell, the parameters for the shaping technologies tape casting and replica process are established for the materials Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 and Li0.33La0.557TiO3. Subsequently, load-bearing electrolyte structures are co-sintered from the obtained green body elements, which can be completed to full cells by infiltration with active materials. The first cycling tests confirm the basic function of the solid-state batter-ies and provide valuable information for an efficient design of future cell structures.