Materialstrategien für die Entwicklung von Hochenergiekathoden mit erhöhter Stabilität für Li-Ionen Batterien: Untersuchung von Dotierstrategien und Feststoffkonzepten mithilfe eines kombinierten in- situ/operando Ansatzes

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hess; Professor Dr. Jan Philipp Hofmann, seit 7/2022
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416542991

Lithium-Ionen Batterien (LIB) sind von großem Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen, zum Beispiel als Energiespeicher für den Einsatz in der Elektromobilität. Die Realisierung der für zukünftige Anwendungen notwendigen, hohen Energiedichten erfordert neben einer Weiterentwicklung der Batterietechnologie vor allem die Weiterentwicklung von Materialen, insbesondere von Materialien für die Positive (Kathodenmaterialien). Für den Einsatz in Hochenergiekathoden ist vor allem die Klasse der lithium- und manganreichen, „layered-layered“ xLi2MnO3(1-x)LiMO2 Zweikomponenten¬materialien (M = Ni, Mn, Co) vielversprechend, die Kapazitäten von über 200 mg/h innerhalb eines Potentialfensters von 2,0 bis 4,6 Volt erreichen. Derzeit leiden diese Materialien jedoch unter einem Abfall des elektrochemischen Potentials und unter Kapazitätsverlust.Dieser Projektantrag hat zum Ziel, die Degradation von oben genannten Hochenergiekathodenmaterialien besser zu verstehen. Zu diesem Zweck sollen verschiedene Materialstrategien einzeln und in Kombination getestet werden, so z.B. die Verwendung von Feststoffelektrolyten, das Dotieren mit hochgeladenen Kationen sowie das Dotieren mit Halogenatomen. Durch abgestimmte Untersuchungen an Modell- und Kompositelektroden mit verschiedenen, sich ergänzenden in-situ/operando Analysemethoden streben wir an, die Rolle von Dotierungen und Beschichtungen für die strukturelle Stabilität und das Entstehen von Reaktionsschichten aufzuklären. Insbesondere sollen hierfür Methoden für die Analyse der elektronischen Struktur, für die Analyse der Kristallstruktur, sowie für die Analyse der Nahordnung bzw. lateralen Homogenität kombiniert werden, um Einsichten in die irreversible Defektbildung und hierdurch induzierte Phasenumwandlungen zu erhalten. Besondere Aufmerksamkeit soll hierbei den Vorgängen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt gelten, die für das Fortschreiten von Ermüdungserscheinungen ursächlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Boris Markovsky
• Ehemalige Antragsteller: Dr. René Hausbrand, bis 1/2020; Professor Dr. Wolfram Jaegermann, von 2/2020 bis 6/2022