Verbundvorhaben: RoSiLIB - Nanoporöses Silizium durch Rascherstarrung - Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien; Teilvorhaben: Nanoskopische Charakterisierungen und Prozesssimulationen
Zeitraum
2020-10-01 – 2024-03-31
Bewilligte Summe
462.627,30 EUR
Ausführende Stelle
Förderkennzeichen
03ETE030F
Leistungsplansystematik
Elektromobilität - Lithium-basierte Batterien [EA2611]
Verbundvorhaben
Zuwendungsgeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK.IIB5)
Projektträger
Forschungszentrum Jülich GmbH (PT-J.ESN5)
Förderprogramm
Energie
Das Ziel des Verbundvorhabens 'RoSiLIB' ist die Entwicklung eines neuartige Anodenmaterials für Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Dieses ermöglicht eine höhere Speicherkapazität der LIBs bei gleichem Volumen oder Gewicht, eine Hauptforderung der Elektromobilität. Der Ersatz des aktuellen Anodenmaterials Grafit durch Silizium bringt diesen Fortschritt, allerdings pulverisiert Si nach wenigen Ladezyklen, die LIBs haben keine akzeptable Lebensdauer. Nur nanostrukturierte Si-Anoden führen zu stabilen LIBs. 'Rosi' entwickelt ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von nanoporösen Si-Mikroteilchen mit weiterer Verbesserung durch nanoskalige Teilchenbeschichtung mit Kohlenstoff. Die nanotechnologischen F&E-Aufgaben in Rosi erfordern eine fortschrittliche nanoskopische Analytik die am HZDR verfügbar ist. Dazu gehören die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Untersuchung der Nanoporosität und die Charakterisierung nanoskaliger Schichten auf Mikroteilchen. Eine bildgebende Elementanalyse (EDX) wird eingesetzt, um den Auslaugungsprozess der Metallmatrix aus dem Si-Schwamm zu kontrollieren. Neueste Methoden wie TEM-Tomografie und Helium-Ionen-Mikroskopie, die am HZDR im Rahmen eines EU-Projektes weiterentwickelt wird, kommen zur Anwendung. Ein zweiter Beitrag des HZDR zum Verbundvorhaben ist die Nutzung seiner materialwissenschaftlichen Kompetenz, insbesondere zu Prozessmodellierungen und Computersimulationen. Zur Synthese von Si-Nanoschwammschichten hat das HZDR ein internationales BMBF-Verbundprojekt koordiniert. Das dort eingesetzte kinetische 3D Monte-Carlo-Programm wird für das Rosi-Projekt modifiziert. Simulationen zur Rascherstarrung von Mikrotröpfchen reduzieren den experimentellen Aufwand. Weitere Prozesssimulationen werden zur Teilchendynamik im Pulver während der Vakuumbeschichtung durchgeführt. Erst durch solche Simulationen kann eine Beschichtung der Teilchen unter der Einwirkung von Gravitation, Dampfdruck und elektrischen Feldern optimiert werden.