Entwicklung kostengünstiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien

Am Verbundprojekt Li-EcoSafe sind derzeit noch zwei Arbeitsgruppen der Universität Ulm in einem gemeinsamen Teilprojekt beteiligt.

Dabei zielen die Arbeiten der Arbeitsgruppe Oberflächenchemie und Katalyse auf ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen Elektroden und Elektrolyten, insbesondere des Prozesses der Solid-electrolyte-interphase-(SEI-)Bildung an diesen Grenzflächen während der Lade- und Entladevorgänge sowie der Korrosionsbeständigkeit des Elektrolyten unter diesen Bedingungen. Diese sollen an Modellsystemen mit strukturell und chemisch gut definierten Oberflächen untersucht werden, die für diese Anwendung direkt relevant sind. Zudem werden aus dem Gesamtprojekt resultierende Elektrodenmaterialien und Grenzschichten, die durch Lade-Entlade-Zyklen gebildet wurden, mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) charakterisiert.

Die Arbeiten der materialwissenschaftlichen Elektronenmikroskopiegruppe auf ein detailliertes Verständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen bei Kathoden- und Anodenmaterialien durch elektronenmikroskopische Charakterisierung von Kristallinität, Textur, Porosität etc. Hierzu wird ein Rasterelektronenmikroskop (REM) kombiniert mit einem Focused-Ion-Beam (FIB) Instrument verwendet.

Strukturcharakterisierung von elektronentransparenten Proben aus den untersuchten Batteriematerialien wird mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) realisiert, wobei Techniken wie die aberrationskorrigierte hochauflösende transmissionselektronenmikroskopie (AC-HRTEM) und die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) angewandt werden. Zur zielgenauen und artefaktfreien Probenpräparation für TEM wird auch die FIB/SEM-Technik angewandt.

In der Arbeitsgruppe Oberflächenchemie und Katalyse werden zur Untersuchung der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche auf wohl definierten Oberflächen wie Cu(111) oder highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) Elektrolytkomponenten wie Ethylencarbonat im Ultrahochvakuum aufgedampft und die gebildeten Strukturen mittels Rastertunnelmikrospkopie sowie die chemische Zusammensetzung der Adsorbate mittels XPS und IR-Spektroskopie charakterisiert. Mit denselben Methoden werden die Änderungen studiert, die sich an der Grenzfläche durch erhöhte Temperatur oder die Zugabe von Lithium ergeben. Die SEI-Bildung an Anodenmaterialien wie Graphit (HOPG und Graphitpulver aus realen Batterien) und Kathodenmaterialien wie LiNi0.5Mn1.5O4 wird mit spektro-elektrochemischen Methoden untersucht, wobei In-situ-IR-Spektroskopie Einblick in die gebildeten Grenzschichten gibt, während mittels differentieller elektrochemischer Massenspektrometrie flüchtige Reaktionsprodukte der reduktiven oder oxidativen Elektrolytzersetzung detektiert werden. Schließlich wird die gebildete SEI nach entsprechender Zyklisierung ex situ mittels XPS charakterisiert.

In der der materialwissenschaftlichen Elektronenmikroskopiegruppe erfolgt die Charakterisierung der atomaren Struktur von Lithium-Kathodenmaterialien wie die Spinellstruktur Li1+xNi0.5Mn1.5O4 (0 ≤ x ≥ 2) und das Lithium-Vanadium-Monodiphosphat Li9V3(P2O7)3(PO4)2 mit Hilfe der AC-HRTEM.

Die Mangan-Valenz in lithiierten und delithiierten Li1+xNi0.5Mn1.5O4(0≤ x ≥ 2)-Strukturen wird durch EELS-Messungen, insbesondere durch „Valence EELS“ in Plasmonbereich bestimmt.

Der polykristalline Aufbau von LiNi0.5Mn1.5O4-Kathodenmaterialien wird mittels Ion Channelling charakterisiert.

FIB-Tomogramme der ausgewählten Proben werden zur quantitativen Bestimmung der Porosität von gerundeten Graphiten erstellt, wobei die Ermittlung der entsprechenden Messfehler von signifikanter Bedeutung ist.

Die in diesem Teilprojekt durchgeführten fundamentalen Untersuchungen, die sowohl an wohldefinierten Modellsystemen als auch an realen Batteriematerialen durchgeführt werden, liefern ein tieferes Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Dieses grundlegende Verständnis bietet einen Ansatzpunkt für Verbesserungen der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche, die entscheidenden Einfluss auf die Leistung und Sicherheit von Batterien hat, beispielsweise durch Modifizierung der Elektrodenoberfläche. Zudem erlaubt ein besseres Verständnis eine gezielte Auswahl für zukünftige Elektrodenmaterialien.

Die Entwicklung neuer Elektrolyte, neuer Elektrodenmaterialien und neuer Verfahren zu deren Herstellung, die von Projektpartnern des Verbundprojekts Li-EcoSafe durchgeführt wird, wird in diesem Teilprojekt durch die Charakterisierung der Materialien im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung, Kristallinität, Textur und Porosität unterstützt. Zudem bieten die Untersuchungen des Teilprojekts wiederum Einblick in den Einfluss der neuen Materialien auf die Bildung der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche.