Virtuelles Design hierarchisch strukturierter Kompositmaterialien
-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.
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.

(links: Synchrotron-Tomographie-Aufnahme) und einer Einzelgranalie (rechts: FIB/SEM-Schnittbild).