Verfahrenstechnik 3/2023

FACHMESSEN DORTMUND 02

FACHMESSEN DORTMUND 02 Kohlenstoff-Silizium-Verbundmaterial 03 Durch Pulversynthese hergestellter Kathodenwerkstoff 04 REM-Aufnahme eines oxidischen Festelektrolyten NEUE WEGE FÜR OXIDISCHE FESTSTOFFELEKTROLYTE 02 03 Der Trend bei Batterien geht zunehmend in Richtung Feststoffbatterien. Der schwierigste Teil daran ist die Entwicklung eines festen Elektrolyten, der mit der Ionenleitung von flüssigen Elektrolyten konkurrieren kann. Dazu werden momentan zwei Hauptkonzepte verfolgt, die entweder oxidische oder sulfidische Ionenleiter nutzen. Die Pulversynthese findet dabei im Rahmen verschiedener Projekte für die Entwicklung von oxidischen Feststoffelektrolyten Anwendung, insbesondere von Lithium-Lanthan-Zirkon-Oxid (LLZO) und dotierten Varianten auf Basis kostengünstiger Rohstoffe. Die Einstellung von Partikelgröße, Schüttdichte und Morphologie erfolgt durch Anpassung verschiedener Parameter. PARTIKELGRÖSSE, SCHÜTTDICHTE UND MORPHOLOGIE LASSEN SICH GENAU EINSTELLEN Die Weiterverarbeitung der Pulver zu keramischen Folien ist ebenfalls möglich. Die Maßstäbe konventioneller Prozesse zur Herstellung von LLZO liegen üblicherweise im Gramm- oder Kilogramm-Bereich. Der Vorteil der Pulversynthese besteht in der Skalierbarkeit zum Produktionsmaßstab. BESCHICHTETE KATHODENWERKSTOFFE ZUR ERHÖHUNG DER LANGZEITSTABILITÄT 04 und hohen spezifischen Kapazität für diese Aufgabe prädestiniert. Die technische Herausforderung bei Silizium liegt in der während des Lade-/Entlade-Zyklus auftretenden Volumenänderung, die auf Dauer zum Bruch der Partikel, dem Kontaktverlust zum Stromableiter und zu einem fortlaufenden Abtrag der schützenden Grenzschicht zwischen Silizium und Elektrolyt führen kann. Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien können dieses Problem lösen: Das Kohlenstoffgerüst kompensiert die Volumenänderung des Siliziums und schützt es als elastische Schicht vor dem direkten Kontakt mit dem Elektrolyten. Für die Herstellung werden Siliziumpartikel, ein gelöster organischer Binder und gegebenenfalls weitere Additive in einer Suspension aufbereitet und im Pulversynthesereaktor versprüht. Je nach Prozessführung können die Siliziumpartikel agglomeriert werden oder benetzen die Kohlenstoffpartikel und bilden beim Trocknen eine Schicht. Bei Bedarf kann über ein entsprechendes Temperaturregime die Binderoder Schichtphase im selben Prozessschritt auch pyrolysiert werden. Im Einsatz unterliegen Kathodenwerkstoffe Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten, die unter anderem zu ihrer partiellen Zersetzung führen. Ein neuartiger Ansatz ist die Beschichtung der Kathodenwerkstoffe, um sie vor Herauslösung aktiver Elemente (zum Beispiel Mangan) oder anderen unerwünschten Reaktionen bei Elektrolytkontakt zu schützen. Die Pulversynthese eignet sich hervorragend zur Beschichtung feiner Pulverwerkstoffe als Ausgangsmaterial für Lithium-Ionenbatterien. Eine schnelle Leistungsverminderung der Batterien kann so verhindert und die Haltbarkeit der Kathoden erhöht werden. Bilder: Glatt, KanawatTH – stock.adobe.com foodfeedfinechemicals.glatt.com/de AUTOREN Dr.-Ing. Viktor Drescher, Manager Advanced Powder Processing; Dr. rer. nat. Thomas Jähnert, Vertriebsingenieur; Dr. rer. nat. Johannes Buchheim, Projektingenieur; alle: Glatt Ingenieurtechnik GmbH, Weimar 18 VERFAHRENSTECHNIK 2023/03 www.verfahrenstechnik.de

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