Materialdesign für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien

© Fraunhofer IWM
Hoffnungsträger für noch leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien: Festkörper-Elektrolyt (hier LiTi2(PO4)3, Li-grün, Ti-blau, P-lila, O-rot) mit Darstellung der „Wanderungspfade“ für Lithium-Ionen (gelbe Bänder).

Zur Steigerung der Effizienz und Lebensdauer zukünftiger Batteriesysteme ist ein Verständnis grundlegender physikalischer Zusammenhänge, die die Funktionalität einer Batterie auf der atomaren Skala bestimmen, unerlässlich.

Durch unsere Expertise in den Bereichen Festkörperphysik und Werkstoffmechanik steht insbesondere die Kopplung mechanischer und elektrochemischer Vorgänge, die während der Be- und Entladung einer Batterie in den unterschiedlichen Materialkomponenten auftreten, im Fokus unserer Forschungsaktivitäten.

Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projekts DEFACTO untersuchen wir mithilfe atomistischer Simulationen, wie sich durch Ionen-Ein- und Auslagerung entstehende mechanische Spannungen in polykristallinen Li-Si Anoden auf die elektrochemischen Potentiale auswirken, die u.a. den Ionenfluss und die elektrische Spannung charakterisieren.

Li-Si Anoden sind vielversprechend, da sie hohe Energiedichten ermöglichen, was allerdings mit großen Volumenänderungen, und dadurch verursachter mechanischer Degradation, wie z.B. Rissbildung und Kontaktverlust einhergeht.

Um solche unerwünschten, die Lebensdauer beschränkenden Faktoren auf Seiten der Kathode zu reduzieren, gehen wir in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt der Frage nach, welche Eigenschaften eine Kristallstruktur erfüllen muss, um Li-Ionen unter vernachlässigbarer Volumenänderung aufnehmen und abgeben zu können.

Die Verwendung von keramischen Werkstoffen als ionenleitende Elektrolyten in Festkörperbatterien hat das Potential, neben Gesamtgewicht und Energiedichte die Sicherheit einer Batteriezelle im Vergleich zu heutigen, auf Flüssigelektrolyten beruhenden Systemen, deutlich zu erhöhen. Über die Berechnung der Eigenschaften atomarer Wanderungspfade treffen wir Aussagen zur Ionenleitfähigkeit solcher Feststoffelektrolyte für verschiedene elementare Zusammensetzungen.

Ein effizientes Hochdurchsatzscreening ermöglicht uns die simulationsgestützte Ermittlung geeigneter Elementkombinationen, wodurch Ressourcen gespart, die Umweltverträglichkeit von Batteriekomponenten erhöht, und deren Kosten reduziert werden  können.

Als Mitglied der Fraunhofer-Allianz Batterien stehen wir in engem Kontakt mit hochspezialisierten Partnerinstituten, die experimentell und simulationsgestützt an vielfältigen Fragestellungen zur Material- und Komponentenentwicklung für elektrochemische Speicher arbeiten.

 

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Publikationen#

 

  • Pfalzgraf, D.; Mutter, D.; Urban, D. F., Atomistic analysis of Li migration in Li1+xAlxTi2–x(PO4)3 (LATP) solid electrolytes, Solid State Ionics 359 (2021) 115521, 7 Seiten Link
  • Mutter, D.; Urban, D. F.; Elsässer, C., Determination of formation energies and phase diagrams of transition metal oxides with DFT+U, Materials 13/19 (2020) Art. 4303; 21 Seiten Link
  • Mutter, D.; Urban, D. F.; Elsässer C., Computational analysis of compositionstructure-property-relationships in NZP-type materials for Li-ion batteries, Journal of Applied Physics 125/21 (2019) 215115 1-10 Link
  • Mutter, D.; Urban, D.; Elsässer, C., Systematic search for lithium ion conducting compounds by screening of compositions combined with atomistic simulation, MRS Advances 2/9 (2017) 483-489 Link
  • Kozinsky, B.; Akhade, S.A.; Hirel, P.; Hashibon, A.; Elsässer, C.; Mehta, P.; Logeat, A.; Eisele, U., Effects of sublattice symmetry and frustration on ionic transport in garnet solid electrolytes, Physical Review Letters 116/5 (2016) 055901 1-5 Link
  • Lang, B.; Ziebarth, B.; Elsässer,C., Lithium ion conduction in LiTi2(PO4)3 and related compounds based on the NASICON structure: A first-principles study, Chemistry of Materials 27/14 (2015) 5040-5048 Link
  • Ziebarth, B.; Klinsmann, M.; Eckl, T.; Elsässer, C., Lithium diffusion in the spinel phase Li4Ti5O12 and in the rocksalt phase Li7Ti5O12 of lithium titante from first principles, Physical Review B 89/17 (2014) 174301 1-7 Link

 

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