Kationen -Anionen RedOx Aktivmaterialien für Feststoffbatterien

Gegenstand des Verbundvorhabens KAROFEST ist die Entwicklung von sulfidischen Kathodenmaterialien für Lithium-Feststoffbatterien mit hoher Kapazität. Feststoffbatterien (engl. Solid state batteries, SSBs) gelten als attraktive Alternative zur konventionellen Lithiumionenbatterietechnologie (LIB-Technologie). Man erhofft sich dabei zum einen eine verbessere Sicherheit und zum anderen eine noch höhere Energiedichte. Weltweit werden daher verschiedenste Materialien und Konzepte erprobt, um Feststoffbatterien in die Anwendung zu bringen. Ein Flaschenhals der SSB-Technologie stellt derzeit das Kathodenmaterial (engl. cathode active material, CAM) dar. Hierfür werden bisher vor allem Schichtoxide untersucht. Dies werden in der LIB-Technologie eingesetzt, allerdings stößt diese Materialklasse auch dort zunehmend an ihre Grenzen. So führen zu hohe Elektrodenpotentiale zu einer Oxidation des Sauerstoffgitters. Dies kann zur Freisetzung von O2 und einer Degradation des Gitters führen. Mit Blick auf Feststoffbatterien bestehen auch noch große Stabilitätsprobleme an der Festelektrolyt/CAM Grenzfläche. Im Projekt KAROFEST soll daher ein alternativer Ansatz verfolgt werden. Anstelle von Oxiden soll der Einsatz von Sulfiden als CAM untersucht werden, welche sich in einigen Eigenschaften stark von den Schichtoxiden unterscheiden. Zum einen ist eine reversiblere Redoxchemie der Schwefelgitteranionen zu erwarten (2S2− → (S2)2− + 2e−), was zu einer höheren Kapazität der Materialien führt. Redoxprozesse der Kationen und Anionen tragen daher zur Ladungsspeicherung bei („Doppelredox“). Aus Gründen der besseren Lesbarkeit werden CAMs mit „Kationen- und Anionenredox“ als KAR-CAM bezeichnet. Zum anderen sind viele Sulfide weicher als Oxide, was die Präparation von kompakten Feststoffbatterien erleichtert und es einfacher macht, Volumenänderungen während der Zyklisierung zu kompensieren. Im Verbund liegt der Fokus auf Eisen- und Kupfersulfiden. Die Arbeiten auf Kupfersulfiden stehen im Zentrum des Teilvorhabens der HU Berlin. Ein besonderer Vorteil von Kupfersulfiden (CuSx) ist ihre hohe Ionen- und Elektronenleitfähigkeit, was zu einer verbesserten Kinetik beiträgt und vermutlich den Einsatz weiterer Leitadditive überflüssig macht.