Materialdesign, Charakterisierung und Synthese auf höchstem Niveau

Forschungsbereich: Materialien
© MEET/Judith Kraft

Eine Schlüsselrolle bei der Weiter- und Neuentwicklung von nachhaltigen Batterien der Zukunft spielen die eingesetzten Materialien. Sie bestimmen wesentliche Eigenschaften wie Energiedichte, Leistung, Lebensdauer, Sicherheit, Kosten oder Nachhaltigkeit der Akkumulatoren. Unsere Wissenschaftler*innen in diesem Forschungsbereich entwickeln neue und optimieren bestehende Batteriematerialien. Das Ziel besteht darin, die Energiespeicher exakt angepasst für ihren Nutzungszweck zu verbessern oder neue Einsatzbereiche zu ermöglichen. Des Weiteren entschlüsselt das Team komplexe Mechanismen der Materialien in den Batteriezellen – eine Voraussetzung, um ein besseres Verständnis für die ablaufenden Prozesse und Reaktionen zu entwickeln. Dabei verfügt es über umfangreiche Erfahrung insbesondere in der Entwicklung und Synthese elektrochemischer Energiespeichermaterialien und konnte bereits zahlreiche Patente, wie zum Beispiel zu Elektrolytadditiven zugeteilt bekommen.

Innovative Materialien für günstige und nachhaltige Batterien der Zukunft

Aktuell dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt. Leicht, kompakt und mit einer bis dahin nie gekannten Energie- und Leistungsdichte ist die Technologie gegenwärtig erfolgreich im Einsatz und spielt auch zukünftig eine entscheidende Rolle in der Energiespeicherung. Ein Batteriesystem, das die Lithium-Ionen-Batterie zeitnah und flächendeckend ablösen könnte, ist noch nicht in Sicht. Umso bedeutender und gleichzeitig herausfordernder ist es, die bestehende Technologie und ihre Materialien weiterzuentwickeln und zu optimieren.

Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme eines synthetisierten Ni0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) Kathodenpartikels
© WWU/MEET

Damit dies gelingen kann, fokussiert sich unser Team des Bereichs Materialien auf die Forschung an aktiven Speichermaterialien für die positiven und negativen Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien. Diese Aktivmaterialien haben den größten Einfluss auf die Eigenschaften der Batteriezelle und bieten somit einen entscheidenden Ansatzpunkt für die Wissenschaftler*innen. Des Weiteren spielt die Arbeit an Inaktivmaterialien in Batterieelektroden, wie Bindern, Stromableitern oder Leitrußen, eine wichtige Rolle. Ein weiterer Baustein ist die Forschung an Materialien für alternative Energiespeicher abseits der Lithium-Ionen-Technologie. Zu den weltweit führenden Gruppen zählt das MEET Team dabei mit seiner Arbeit an Dual-Ionen-Batterien, wo die Forschenden zwei Basispatente halten.

Die Erwartungen für die Zukunft insbesondere an die Elektromobilität und an stationäre Speicherlösungen sind hoch: Lithium-Ionen-Batterien sollen immer leistungsfähiger, kostengünstiger und nachhaltiger werden.
Dr. Tobias Placke, Bereichsleiter Materialien am MEET
  • Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung

    Die Wissenschaftler*innen verfügen über umfangreiche Kompetenzen zur systematischen physikalischen, chemischen und elektrochemischen Charakterisierung von Batteriematerialien. Am MEET stehen mehrere Methoden zur Verfügung, um Batteriematerialien, -elektroden oder -zellen zu untersuchen:

    • ex situ und post mortem – außerhalb der Zelle und nach Gebrauch –,
    • in situ – an Ort und Stelle in der Zelle – sowie
    • in operando – während der Nutzung der Zelle unter anwendungsnahen Betriebsbedingungen.

    Zum Einsatz kommen beispielsweise ex situ Rasterelektronenmikroskopie Messungen, ex situ und in situ Röntgenpulverdiffraktometrie XRD, in situ Raman- und Infrarot-Spektroskopie oder in situ Dilatometrie. Auch die Kombination oder Neuentwicklung geeigneter Analysemethoden wird erforscht.

    © MEET/Judith Kraft

    Für leistungsfähige, kostengünstige und nachhaltige Energiespeicher forscht das internationale Team im Bereich Materialien dabei sowohl an Grundlagen als auch an anwendungsorientierten Fragestellungen. Beispiele für die Grundlagenforschung sind die Entwicklung optimierter Materialien und Elektrolyte oder Elektrolytadditive zur Stabilisierung der Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen bzw. -Zwischenphasen. Zu den Forschungsergebnissen zählen in diesem Zusammenhang auch grundlegende Erkenntnisse durch eine systematische Analytik dieser Grenzflächen und auftretender Alterungseffekte der Zwischenphasen.

    Ein ausgeprägter Kompetenzschwerpunkt im Forschungsbereich Materialien liegt auf der Synthese neuartiger Speichermaterialien mittels eines breiten Methodenportfolios: So nutzen die Wissenschaftler*innen Fällungssynthesen unter anderem mittels eines Couette-Taylor-Flow-Reaktors, Hydrothermalsynthesen, Kugelmühlensynthesen, Karbonisierungs- oder Graphitierungsmethoden, unter anderem mittels eines Graphitierungs- oder Drehrohrofens, sowie die Herstellung von Dünnschichten mittels Magnetronsputterabscheidung.

  • Funktionsprinzip des Couette-Taylor-Flow-Reaktors
    © WWU/MEET

    Beispiele für hohe Praxisorientierung

    Die hohe praktische Relevanz der MEET Forschung wurde bereits mehrfach unter Beweis gestellt, unter anderem durch zahlreiche Patente, Publikationen und Konferenzbeiträge. Das Team besitzt umfassende Kompetenzen in der systematischen Herstellung und umfassenden Charakterisierung von Anoden- und Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mit kommerziell-relevanten Partikeleigenschaften. Konkrete Beispiele sind die Herstellung von Silizium-Materialien mit optimierten Partikeleigenschaften und guter Performanz in Vollzellen oder die Herstellung von Kathodenmaterialien mittels eines Couette-Taylor-Flow-Reaktors.