Konditionierung von Lithium-Ionen-Festkörperbatterien mit LiMPO4 (M=Co, Ni) Dünnschicht-Kathoden

• Antragsteller: Dr. Gennady Cherkashinin
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268156926

Das Kathodenmaterial ist Schlüssel für die Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Die thermodynamische Stabilität des Kathodenmaterials hängt von der intrinsischen Spannungsgrenze ab, die jeweils Material von der Oxidationsgrenze der Anionen im Festkörper bestimmt ist. Die extrinsische Stabilität der gesamten Batteriezelle wird zusätzlich beeinflusst von den Redox-Potentialen des Elektrolyten und der chemische Kompatibilität der Grenzfläche Kathode/Elektrolyt. Die Leistung der Batterie wird bestimmt durch die Li+-Ionen- und/oder Elektronen-Transfergeschwindigkeit durch das Volumen und über die Phasengrenze Elektrode-Elektrolyt. Zur Entwicklung einer stabilen Batterie mit hoher Leistung und hoher Dichte müssen die folgenden Probleme gelöst werden: a) thermodynamische Stabilität und chemische Kompatibilität der Batteriezelle mit einer hohen Spannung im Ladezustand; b) hohe Migrationsrate von Li+ Ionen durch die Phasen und über die Phasengrenzen; c) hohe elektronische Leitfähigkeit im Elektrodenvolumen und eine blockierende Elektrolyt-Grenzfläche. Die Rolle der einzelnen Faktoren ist aufgrund der Komplexität im klassischen Batterieaufbau unter Beteiligung von Zusatzstoffen kaum aufzuklären. Der Schwerpunkt unseres Projektes ist die Herstellung und Untersuchung neuartiger Hochspannungs-Festkörperbatterien. Wir konzentrieren uns auf Verbindungen mit Olivinstruktur wie LiMPO4 (M=Fe, Co, Ni), mit erhöhter Spannung durch Substitution von Fe durch Co (4.8 V) und Ni (> 5 V). Die folgenden grundsätzlichen wissenschaftlichen Fragen sollen geklärt werden:a) Sind LiCoPO4 und LiNiPO4 Olivin-Kathodenmaterialien thermodynamisch stabil unter Delithiierung und eignen sie sich für die Hochspannungs-Anwendung bis zu einer noch unbekannten Eigenspannungsgrenze?b) Sind LiCoPO4 und LiNiPO4 mit typischen Elektrolyten (wie Fluorethylencarbonat) chemisch kompatibel und ist die Olivin-Elektrolyt Grenzfläche bei hohen Spannungswerten (um 5V) stabil?c) Sind LiCoPO4 und LiNiPO4 mit Festkörperelektrolyten (e. g. LIPON) chemisch kompatibel?Die Dünnschicht Kathodenmaterialien und ihre Grenzflächen sollen im UHV präpariert und ihre elektronischen Eigenschaften vorwiegend mittels Elektronenspektroskopie in situ untersucht werden. Mit diesem neuartigen Surface Science Ansatz an Ionenleitern sollen intrinsische und extrinsische Stabilitätsgrenzen der Hochvolt-Olivine bestimmt und mögliche Degradation-Vermeidungsstrategien getestet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Laser
• Gerätegruppe: 5730 Spezielle Laser und -Stabilisierungsgeräte (Frequenz, Mode)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Wolfram Jaegermann