Lithium-Ionen-Batterien bewähren sich seit vielen Jahren als leistungsfähige Energiesysteme in Laptops, Handys und Geräten der Unterhaltungselektronik. Um die technischen Anforderungen für moderne Hybrid-, Plug-in-Hybrid- und Elektro-Fahrzeuge zu erfüllen, sind jedoch größer dimensionierte und noch leistungsfähigere Batteriesysteme erforderlich. Die Einführung dieser Technologie als preisgünstiges Massenprodukt für mobile Anwendungen erfordert weitere Steigerungen der Energie- und Leistungsdichten, Zellspannungen, Kapazitäten, Zyklierbarkeiten und der Lebensdauer sowie die Gewährleistung eines sicheren Batteriebetriebs. Besonders die verwendeten Batteriewerkstoffe und deren Struktur beeinflussen das Eigenschaftsprofil der Batterien entscheidend.
Vor allem die Energetik und die Reaktivität der Werkstoffe müssen auf eine neue Leistungsstufe angehoben werden. Dies setzt ein völlig neues Materialdesign für alle Batteriekomponenten voraus und erfordert die Erforschung des funktionalen Zusammenwirkens der Komponenten im Gesamtsystem. Im Schwerpunktprogramm sollen daher in den nächsten sechs Jahren die Zusammenhänge zwischen der Struktur der Batteriewerkstoffe und deren Thermodynamik und Elektrochemie erforscht werden. Mehr als 30 Forschergruppen an Universitäten und außeruniversitären Einrichtungen in Deutschland und Österreich arbeiten koordiniert und interdisziplinär zusammen. Die wissenschaftlichen Hauptziele dieses Schwerpunktprogramms sind: (1) werkstoffwissenschaftliche Erforschung und Bereitstellung von neuen Aktivmaterialien für Li-Ionen-Batterien der nächsten Generation mit verbesserten Energie- und Leistungsdichten, Kapazitäten und Zyklierbarkeiten sowie höherer Lebensdauer und Sicherheit; (2) thermodynamisch-kinetische Modellierung und experimentelle Untersuchung der für den Hochleistungsbetrieb relevanten heterogenen Reaktionen und Phasenumwandlungen der Aktivmaterialien; (3) Korrelation der Werkstoff-Charakteristik mit elektrochemischen und thermodynamisch-kinetischen Eigenschaften; (4) Analyse und Simulationen der Reaktionen von Aktivmaterialien mit dem Elektrolyt; (5) gezielte Verbesserung der Energetik und thermodynamischen Stabilität des Gesamtsystems "Li-Ionen-Batterie“ durch werkstoffwissenschaftlich-chemisches Design.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Internationaler Bezug China, Österreich

• Crystal growth and electrochemistry of Lithium-based materials: Investigation of model systems for Li-ion batteries (Antragsteller Klingeler, Rüdiger )
• Design einer Festkörper-Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterie und ihre elektrochemisch-thermodynamische Modellierung und Evaluierung (Antragsteller Schneider, Ph.D., Jochen M. ;  Seifert, Hans Jürgen )
• Gezielte Optimierung und thermodynamische Charakterisierung von Lithium Siliciden und Lithiumeisenphosphat als Elektrodenmaterialien für Lithiumionen-Batterien - Kalorimetrische, kinetische und theoretische Untersuchungen zu den Beziehungen zwischen Reaktivität, Morphologie und Partikelgröße (Antragsteller Kortus, Jens ;  Mertens, Florian )
• Kinetics of Li intercalation at amorphous silicon electrodes (Antragsteller Borchardt, Günter ;  Schmidt, Harald )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Seifert, Hans Jürgen )
• Korrelation von Modell- und kommerziellen Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mittels In-situ-Bestimmung thermodynamischer und kinetischer Daten (Antragsteller Fritze, Holger )
• Lattice structure, Li-dynamics and ordering phenomena in single crystalline model systems for Li-ion batteries: NMR, x-ray diffraction, and theoretical studies (Antragsteller Grafe, Hans-Joachim )
• Lithium-Schwefel-Hochenergie Akkumulatoren mit reversiblen Matrix-interkalierten Schwefelkathoden (Antragsteller Beckhoff, Burkhard ;  Jacob, Timo ;  Stamm, Manfred )
• Nanocomposites as anode materials for lithium ion batteries: Synthesis, thermodynamic characterization and modeling of nanoparticular silicon dispersed in SiCN(O) and SiCO-based matrices (Antragstellerinnen / Antragsteller Albe, Karsten ;  Graczyk-Zajac, Magdalena ;  Seifert, Hans Jürgen )
• Phasenstabilität in Li-Legierungen für lithiumspeichernde Anodenmaterialien (Antragstellerinnen / Antragsteller Rettenmayr, Markus ;  Schmid-Fetzer, Rainer ;  Song, Xiaoyan )
• Spatially resolved modeling and characterization of (de-)intercalation in Li-Ion battery materials (Antragsteller Drautz, Ralf ;  Ludwig, Alfred ;  Schuhmann, Wolfgang ;  Steinbach, Ingo )
• Thermodynamics and kinetics of lithiation and delithiation of high capacity anode materials at elevated temperatures (Antragsteller Eckert, Hellmut ;  Schmitz, Guido ;  Winter, Martin )
• Thermodynamik und Kinetik der Stabilisierung von Konversionselektroden für die Lithiumionenbatterien auf der Basis von nanoskaligen Kompositen der 3d Übergangsmetalloxide (Antragsteller Ehrenberg, Helmut ;  Rafaja, David ;  Seifert, Hans Jürgen ;  Winter, Martin )
• Thermodynamische Untersuchungen und Phasenstabilitäten neuer Elektrodenmaterialien für Lithium Ionen Batterien. Untersuchungen zu den Systemen Li-Sb-Sn, Cu-Li-Sb, Li-Si und Li-Si-O (Antragsteller Cupid, Damian M. ;  Flandorfer, Hans ;  Markus, Torsten )

Sprecher Professor Dr. Hans Jürgen Seifert