Dry and thermal processing of PEO-based solid electrolytes for all solid-state batteries

Die wachsende Weltbevölkerung und der damit zunehmende Energiebedarf sowie die Notwendigkeit Energie zu speichern, ist ein Prozess, der nicht aufhaltbar ist und dem sich Wissenschaft, Industrie und Politik gemeinsam stellen müssen. Das heißt, es müssen neue elektrische Energiespeicher entwickelt werden oder bestehende dahingehend optimiert werden, dass diese zukünftig den Energiebedarf decken können. Energiespeicher der nächsten Generation, wie zum Beispiel Festkörperbatterien, gewannen aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Aufmerksamkeit. Durch den Austausch des organischen, leichtflüchtigen Flüssigelektrolyten durch eine ionisch leitende Alternative wird nicht nur die Sicherheit dieser Batteriezelle erhöht, sondern auch die Umsetzung neuer Batteriedesigns, z.B. wie dem bipolaren Stapeln, ermöglicht. Festkörperelektrolyte können in drei Materialklassen unterteilt werden: Oxide, Sulfide und Polymere. Für alle drei Materialklassen wurden in der Vergangenheit viele Materialien hinsichtlich ihrer chemischen, strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Obwohl vielversprechende Materialien für die einzelnen Materialklassen identifiziert wurden, ist die Materialverfügbarkeit sowie das geringe Wissen über deren Verarbeitung im großen Maßstab dafür verantwortlich, dass Festkörperbatterien noch nicht kommerzialisiert wurden. Anders als oxidische und sulfidische Materialien sind Polymere bereits im größeren Maßstab erhältlich. Somit kann der Fokus der Forschung stärker auf die Skalierbarkeit der Verarbeitung zu Festkörperelektrolyten gelegt werden. Darüber hinaus bieten Polymere ein weites Spektrum an lösemittelbasierten und lösemittelfreien Verarbeitungsmethoden. Aufgrund der einfachen Skalierbarkeit und der Möglichkeit der Trockenverarbeitung ist die Extrusion eine vielversprechende Verarbeitungsmethode.

The growing world population and the resulting increase in energy demand, as well as the need to store energy, is an unstoppable process that science, industry, and politics need to address together. This means that new electrical energy storage systems must be developed, or existing ones need to be optimized to meet future energy needs. Next-generation energy storage systems, such as all solid-state batteries (ASSBs), have attracted increasing attention in recent decades due to their high energy and power density.
The aim of this thesis is to investigate the relationship between the dry process of polymer-based SEs using melt extrusion and the material behavior with respect to the upscaling of polymer-based SEs. Therefore, a concept is developed from the investigation of small quantities using a laboratory kneader to the investigation of larger quantities in kilo-scale using a twin-screw extruder.