Siliziumnitrid-basierte Partikel als vielversprechendes Anodenmaterial für Feststoffbatterien

Werkstoffe 09. 02. 2024
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BMBF fördert FB2-SiSuFest zur Bewertung neuartigen Speichermaterials

Neuartiges Speichermaterial für die Feststoffbatterie steht im Fokus des Projekts FB2- SiSuFest – Evaluation von Sili­ziumanoden in sulfidischen Festkörperbatterien. Siliziumnitrid-basierte Partikel könnten als vielversprechendes Anodenmaterial eine hohe Speicherkapazität mit einem stabilen und sicheren Betrieb ermöglichen. Der Forschungsverbund aus renommierten Partnern erhält laut einer Mitteilung des Fraunhofer IWS eine Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in Höhe von 1,7 Millionen Euro im Rahmen der Förderrichtlinie Clusters Go Industry als Teil des FestBatt-Clusters. Die Laufzeit des Projekts erstreckt sich von Dezember 2023 bis November 2025.

Die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Feststoffbatterien steht vor der Herausforderung, hochenergetische Lithiummetallanoden erfolgreich in die industrielle Anwendung zu transferieren. Das Projekt FB2-SiSuFest untersucht Anodenmaterialien auf Basis von Siliziumnitrid (SiNx) als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lösungen. Dieses Material könnte einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von leistungsstarken, sicheren und stabilen Batte­riezellen leisten. Die ­Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Herstellung und Evaluierung von Siliziumnitrid-basierten Partikeln als Anodenmaterial in sulfidischen Festkörperbatterien. Das Projekt strebt eine wesentliche Verbesserung der Zyklenstabi­lität im Vergleich zu kommerziellen Anodenmaterialien an. Dabei wollen die Projektpartner die elektrochemischen und morphologischen Herausforderungen von Silizium durch den Einsatz von amorphen Nanopartikeln auf ­Basis von Siliziumnitrid überwinden.

Siliziumnitrid: Mögliche ­Alternative zur Lithiummetallanode?

Die Forschung innerhalb des FestBatt-Clusters konzentriert sich auf verschiedene Varianten von unter anderem Sulfid-basierten Feststoffbatterien als wegweisende Technologien. Trotz Fortschritten bleiben noch einige Fragen zur erfolgreichen Anwendung der hochenergetischen Lithiummetallanode offen. Silizium könnte sich als legierungsbildendes Aktivmaterial anbieten. Allerdings bestehen weiterhin Herausforderungen durch elektro­chemische und morphologische Instabilitäten. Diese könnten sich durch den Einsatz von Siliziumnitriden in Form amorpher Nanopartikel überwinden lassen, indem vorteilhafte Phasen während des Lade- und Entladevorgangs entstehen.

Das Hauptziel des Forschungsverbunds besteht in der Weiterentwicklung von innovativen SiNx-Aktivmaterialien und deren Evaluierung in Kompositanoden sowie sulfidischen Feststoffbatterien. Das Projektteam setzt ­dabei auf systematische Untersuchungen, tiefgehende Analytik sowie Material- und Prozessoptimierung, um insbesondere die Beladung und Zyklenstabilität im Vergleich zur Anwendung von herkömmlichen Siliziumpartikeln zu bewerten.

Die Erfahrung und Vernetzung der Partnerinstitutionen, darunter das Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster, das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, das Institut für Energie- und Material-Prozesse der Universität Duisburg-Essen sowie das Physikalisch-Chemische Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen, bilden das solide Fundament für das Projekt. Die Zusammenarbeit stärkt nicht nur den wissenschaftlichen Austausch, sondern auch die Integration mit den Plattformen Thiophos­phate und Produktion im FestBatt-Cluster.
Markus Forytta

Kontakt:

Dr. rer. nat. Holger Althues, Leiter Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik, Fraunhofer IWS,
E-Mail: holger.althues@iws.fraunhofer.de

Text zum Titelbild: Forschende des Fraunhofer IWS entwickeln die Komponenten und Zellen, um das neue Materialsystem anwendungsnah für den Einsatz in Festkörperbatterien zu bewerten (© ronaldbonss.com/Fraunhofer IWS)

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