Entwicklung von stabilen Elektrolyten auf Polymerbasis

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1 Entwicklung von stabilen Elektrolyten auf olymerbasis + + Materialien für Lithiumionen-olymer-Batterien Hans-Dieter Wiemhöfer Institut für Anorganische und Analytische Chemie 2 SFB 458 : Jan Dez Mechanismen des Ionentransports 3a. Kristalline & polymere Elektrolyte H +, Li +, a +, Cu +, Ag +, Synthese, neue Materialien, Elektrochemie A2 H.-D. Wiemhöfer A3. öttgen A5 T. ilges A6 M. Schönhoff 3d. 3b. 3c. Gläser als Elektrolyte e.g. Li + / a + / K + / Cu + / Ag + / Li + / X -, Gemischt leitende Elektrodenmaterialien e.g. Cu + /e -, Ag + /e -, Li + /e -, Spektroskopie, Mikro-, anotechnologie A6 - Schönhoff B2 - Wilmer B3 - Koller B5 - Vogel B9 - oling B12- Stolwijk B14- v. Wüllen B15- Schönhoff et al. B17- Schirmeisen et al. Komposite, Hybridsysteme, Multischichten Theorie C1 - Heuer C2 - Funke

2 Universität Münster, Arbeitsgruppen: Eckert, öttgen Winter, Wiemhöfer Anoden, Kathoden, Elektrolyt und SEI: Flüssig, Gel, olymer, M Universität egensburg Elektrolyt : eue Komponenten, Salze, TU Darmstadt 3 Kathode / SEI 3D-Kompositstrukturen, Analytik DFG-Forschungsinitiative LITHIUM-HCHLEISTUGS-BATTEIE Anode Jacobs-Universität Bremen Salze und Additive: eue Komponenten, Synthese Elektrolyt Kathode ZSW Ulm Kathode, Anode: ulver-/schichtherstellung, ulverbehandlung, mechan. Eigenschaften Grenzflächen System- ( SEI ) test Evonik Universität Gießen Universität Hamburg Elektrolyt und SEI: meso-/makroporöse Hybridstrukturen IFW Dresden Anode / Kathode Elektroden-, Zellfertigung: ach Arbeitsfortschritt Lithium-Ionen-Batterie Lithium-Ionen-olymer-Batterie 4 Flüssig-Elektrolyt oröse Separator -Folie + organ. Flüssigkeit + Salz (LiF 6 ) olymergel-elektrolyt olymerfolie gequollen in organ. Flüssigkeit + Salz? olymer-elektrolyt l t olymerfolie + Salz, keine brennbare Flüssigkeit! 2. Lithium-Metallfolie 1. Isolation 3. Elektrolytschicht 4. os. Elektrode Metallfolie

3 Elektrolyte für Lithium-Hochleistungsbatterien: Erhöhte Anforderungen an Sicherheit und Stabilität 5 Stabilität bei hoher Spannung nicht brennbar mechanisch stabil: zuverlässige Trennung von Anode u. Kathode Flüssig-Elektrolyt (+ Separator) Gel-Elektrolyte Komposit- Hybrid- Elektrolyte Li(Anode) olymerelektrolyte hohe Li + - Leitfähigkeit Energieprofil Festelektrolyte, Li + stabil bei erhöhter Temperatur V Gläser -- Sicherheit + Li(Cathode) 6 olymerelektrolyte Laden H H H H H H H H H H Entladen olymerelektrolyt -Folie

4 7 Leitfähigkeitsanforderungen 1 ] [ / S cm-1 log C 20 C -20 C Für Batterien erforderlich: > 10-3 S/cm (E) 8 - LiTFSI (E) 8 - LiCl4 Al K / T Flüssige Elektrolyte Unsere Hybridmembranen (olymer +.) Unsere Salz-in-olymer -Systeme Hans-Dieter Wiemhöfer 8 Salz-in-olymer - Elektrolyte MEE n σ LiX ~ S cm -1 + Li + X -

5 9 Quervernetzung Kammpolymere Modifizierungs- möglichkeiten i Heterogene anorganisch- organische Hybridmaterialien Komposite" Disperse anopartikel ("fillers") Hybridsysteme Interpenetrierende etzwerke Gelelektrolyte 10 Chemisches Modifizieren n n =

6 11 Hybridsysteme: oröses olymer-etzwerk als Wirt + n 12 Hybridmembranen: etzwerk + eingelagerte Komponenten + Salt H 2 C=HCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH=CH 2 H 2 C=HCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH=CH 2 C H 2 C=HCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH=CH 2 etwork former CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 MEE CH 2 CH 2 CH 3 n Li S S F 3 C CF 3 LiTFSI log ( / S cm -1 ) T / C MEE (liquid) 43.5 Gew.% MEE in C 14.5 Gew.% MEE in C C K / T

7 13 Weitere Ansätze für Hybridelektrolyte Schäume: olymer + Flüssigkeit Hybrid aus festem und polymerem Elektrolyt 14 Elektrochemische Stabilität bis 5 Volt 0.15 j [ ma cm -2 ] olyphosphazene/litfsi WE: Steel, 70 C anodic cycle cathodic cycle U [ V ] vs. Li/Li + artikel in Hybridmembran Belastungstests asterkraftmikroskopie

8 Institutskonsortium LiVe innerhalb der Innovationsallianz Lithium-Ionen-Batterie LIB 2015 des BMBF 15 LiVe Lithiumbatterie- Verbundstrukturen Beginn: LiVe-Institutskonsortium: Aufgabenschwerpunkte

9 Im Mittelpunkt: Elektrodenstrukturen für Hochleistungsbatterien 17 e - Li + e - Lade-/Entladezeit: 1000 Tage 0.1 cm Lade-/Entladezeit: 1 sec < 1 m = cm Institutskonsortium LiVe A 1 -- Chemie: Aktivmaterial, Additive, Funktionalisierung, olymere H Si u u A 2 -- artikel: Komposit-, Core-Shell-, ano-artikel H H u Si u u A 3 -- anostrukturierung: Schichtherstellung, Kompositarchitektur, anostrukturierung Kom pon Kom ente pone 1 nte 2 A 6 -- rozesstechnologie: Schichtherstellung, Kompositarchitektur, anostrukturierung Hans-Dieter Wiemhöfer

10 A 4 Analytik der anostrukturen: Chemische und hysikalische Analytik Institutskonsortium LiVe 19 A 5 -- Elektrodenparameter: Elektrochemische Funktionsanalyse A 7 -- Zellen: Zellfertigung und Zelltests t Elektroden- / Zellherstellung Analytik A 8 Trennung und ecycling: Verfahrensentwicklung 20 rojektförderung: DFG: Forschungsinitiative iti AK 177 Li-Hochleistungsbatterien BMBF: BMWi: LiVe (Institutskonsortium) Elektrodenverbundstrukturen KoLiWI Konzeptstudien: euartige Lithium-Zellen weitere: HELi, FLEET, Kompetenzzentrum Elektrochemie LIACE Hochleistungslithiumbatterien t u mit anopartikeln in Core-Shell Technologie Mem-XYCAL Membranen für die Kraftwerkstechnologie