Prozessforschung und -entwicklung zur Herstellung und Verarbeitung von gerundeten Graphiten für Lithium-Ionen-Zellen mit verbesserter Schnellladefähigkeit

Die Analyse von Strukturaspekten wie Porengröße, Porenvolumen, Grenzflächen von gerundeten Grafiten als Anoden- und Komposit-Elektrodenmaterialien wird in Abhängigkeit von Herstellungsparametern mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) und FIB (focused ion beam)-Techniken sowie mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmt, um die Herstellungsbedingungen und Eigenschaften der von Projektpartnern erzeugten Produkte zu korrelieren und somit Optimierungsmöglichkeiten gezielt testen zu können. Bestehende TEM-Probenpräparationsmethoden und -Untersuchungsbedingungen sowie REM-Methoden sollen für Grenzflächenstrukturbestimmungen sowie für eine exakte quantitative Auswertung und einen höheren Durchsatz entwickelt werden.

Es soll ein detailliertes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Materialsynthese und -modifizierung, Struktur und Materialeigenschaften und elektrochemischer Performance unter anderem mittels REM/FIB und aberrationskorrigierter hochauflösender TEM (AC-HRTEM) erarbeitet werden, um die Graphitmaterialien gezielt verbessern zu können.

Untersuchungen zu Alterungsphänomenen der Graphitelektroden während der Formierung und Zyklisierung mit Berücksichtigung der erhöhten Strahlempfindlichkeit dieser Materialien. Neben der Erforschung der Morphologie und Textur mittels REM-Querschnitten und REM/FIB-Tomographie (UU) liegt ein anwendungsorientierter Schwerpunkt auf REM/FIB- und TEM-Analyse der kristallographischen Defektstruktur.

REM- und TEM-Methoden (inkl. Probenpräparation) an der Universität Ulm:

• REM/FIB-Tomographie: Entwicklung einer Methode zur quantitativen Bestimmung (inkl. Fehler) von Porengröße und Porenform im Graphit. Untersuchungen dazu, ob die Dicke der SEI mittels REM/FIB-Tomographie bestimmt werden kann.

• TEM-Präparationsmethoden: Optimierung der Präparationsmethoden für höchstauflösende TEM-Untersuchungen auf Basis von klassischen Querschnittspräparationen und Zielpräparationen mittels FIB. Erarbeiten einer Präparationsmethode, die es erlaubt, korrelativ ein und dieselbe Probenstelle im REM und im TEM zu untersuchen.

• HRTEM-Untersuchungen: Bestimmung der geeigneten Abbildungsparameter (insbesondere der optimalen Arbeitsspannung für die strahlenempfindlichen Graphite) für die höchstauflösende TEM. Charakterisierung der atomaren Defektstrukturen mittels der aberrationskorrigierten HRTEM. Zur Analyse und Interpretation der hochauflösenden TEM-Abbildungen sollen Bildberechnungen der Defektstruktur mithilfe der Multislice-Simulationen verifiziert werden. Abbildung von Core-Shell-Strukturen in beschichteten Graphiten mittels HRTEM und EELS (im TEM).

Die Ergebnisse der herstellungsbedingten Eigenschaften (Struktur, Porosität, Porenlänge etc.) von porösen, graphitischen Materialien wird ein wesentlicher Faktor zur Verbesserung der Eigenschaften bezüglich der Energiespeicherung der Anodenmaterialien sein.