Virtuelles Design hierarchisch strukturierter Kompositmaterialien

Der Erfolg der Energiewende ist eng verknüpft mit einem nachhaltigem Um- und Ausbau der Energieinfrastruktur. Die Energieversorgung wird in Zukunft vielfältiger, vernetzter und komplexer sein als heute. Die Entkopplung von Energieerzeugung und
-verbrauch ist die Voraussetzung für flexible, dezentrale und mobile Energiekonzepte, bei denen elektrochemische Speicher aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der flexiblen Anwendungsmöglichkeiten eine herausgehobene Rolle insbesondere für die Elektromobilität spielen.
 
Die zentrale Herausforderung für neue elektrochemische Speicher ist dabei die Entwicklung neuer Materialien und spezifisch auf die jeweiligen Anwendungen angepasster Werkstoffe. In Verbindung mit der Suche nach neuartigen Speichermaterialien ist die Entwicklung hierarchisch aufgebauter Kompositstrukturen auf Basis nanoskaliger Aktivmaterialien von besonderer Bedeutung. Während aber die Vorteile nanoskaliger Elektrodenpartikel z.B. hinsichtlich höherer Stabilität oder verkürzter Diffusionswege und damit einhergehender höherer Leistungsdichten vielfältig erforscht und für kommerzielle Anwendungen bereits nutzbar gemacht werden, ist die weitere Funktionalisierung hin zu hybriden Kompositen weitaus weniger erforscht und verstanden. Dabei kann das Potential aktueller und zukünftiger Elektrodenmaterialien deutlich gesteigert werden, indem Partikel- und/oder Elektrodenstrukturen spezifisch auf jede Anwendung bzw. das entsprechende Zelldesign hin optimiert werden.
 

Das interdisziplinäre Konsortium des Verbundprojekts HiKoMat widmet sich deshalb diesem Themenkomplex und wird drei Klassen von Aktivmaterialien in den Fokus der Arbeiten stellen: Phosphate, Silikate und Fluoride. Alle drei Materialklassen zeigen für zukünftige Energiespeicher ein hohes Potential und werden durch energieeffiziente und prinzipiell industriell hochskalierbare Verfahren hergestellt. Bei der Materialentwicklung stehen aber nicht nur die intrinsischen Eigenschaften dieser chemisch stabilen Materialien im Vordergrund, sondern vielmehr die Realisierung von hierarchisch strukturierten Komposit­werkstoffen. Die Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit dieser Materialien ist zwingend erforderlich, um deren Einsatz in Hochleistungszellen, z.B. für die Elektromobilität, zu ermöglichen. Wesentlicher Ansatzpunkt ist hierbei, ein grundlegendes Verständnis des Zusammenhangs der Herstellungs- bzw. Prozess­parameter, der daraus resultierenden geometrischen Strukturen und der Partikel- und Zelleigenschaften in Bezug auf Transport und Mechanik zu erlangen. Da die Aufklärung der Prozess-Morphologie-Eigenschaftsbeziehungen über rein experimentellem Wege nicht möglich ist, werden über bildgebende Verfahren die 3D-Realstrukturen (Abb. 1) mathematisch beschrieben und die wesentlichen elektrischen und elektrochemischen Kenngrößen experimentell ermittelt. Auf Basis der gefundenen Zusammenhänge werden für die weitere Werkstoffentwicklung der hierarchisch aufgebauten Kompositwerkstoffe Designkriterien mit entsprechenden numerischen Simulationen generiert.

Abb. 1: Multiskalige Tomographie zur Erfassung der realen 3D-Strukturen einer LiMn2O4-Pulverschütttung
(links: Synchrotron-Tomographie-Aufnahme) und einer Einzelgranalie (rechts: FIB/SEM-Schnittbild).
 
 
Das Gesamtziel des Projektes HiKoMat ist ein detailliertes Verständnis der Prozess-Morphologie-Eigenschaftsbeziehungen hierarchisch strukturierter Kompositmaterialien und daraus folgend die Optimierung für die Anwendung in elektrochemischen Energiespeichern für die Elektromobilität. Zudem werden mit diesem Verbundprojekt die Grundlagen erarbeitet, um diesen methodischen Ansatz auch für eine andere Zellchemie bzw. für weitere Zellkonzepte anwenden zu können.