Lithium-Transport in nanoskaligem Silicium-Elektrodenmaterial für Li-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Dr. Erwin Hüger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253211366

Ziel dieses Forschungsantrags ist es, eine neuartige Methodik zu etablieren, die es erlaubt, den Li-Transport durch nur einige Nanometer dünne amorphe Siliciumschichten experimentell zu bestimmen. Solche Schichten werden als zukunftsträchtiges negatives Elektrodenmaterial in Li-Ionen-Batterien und als selektive Membranen eingesetzt. Li-Diffusionsprozesse in Elektroden sind ein Schlüsselparameter zum Verständnis von Li-Ionen-Batterien. Sie sind von entscheidender Bedeutung für den Lade- und Entladevorgang, für die Leistungsdichte, für die Selbstentladung und für die praktische Kapazität. Im Hinblick auf strukturelle Degradation ist die Verwendung nanoskaliger Elektroden von Vorteil. Die selektive Filterung von Li durch dünne Si-Membranen ist insbesondere wichtig für Li-Luft-Batterien, Li-Ionen selektive Elektroden und Sensoren.Es soll eine Methodik etabliert werden, die es erlaubt den Li-Transport durch einige Nanometer dünne amorphe Siliciumschichten aus benachbarten Li-Reservoirs zu messen. Mittels der Experimente wird die Veränderung des relativen 6Li/7Li-Isotopengehalts in [6LiNbO3/Si/natLiNbO3/Si]-Multilagen während isothermer Glühungen bei niedrigen Temperaturen (Zimmertemperatur - 400 °C) gemessen. Hierzu werden Neutronenreflektometrie und Sekundärionen-Massenspektrometrie eingesetzt. Die Experimente ermöglichen eine Bestimmung des ratenkontrollierenden Prozessschrittes (diffusionskontrolliert oder grenzflächenkontrolliert) und erstmals eine Quantifizierung des Li-Diffusionskoeffizienten und der Li-Permeabilität in Silicium-Elektrodenmaterial mit Abmessungen im Bereich nur weniger Nanometer. Aus temperaturabhängigen Messungen sollen charakteristische Aktivierungsenergien abgeleitet werden. Zur Beantwortung weiterer wichtiger offener Fragen im Bereich der Li-Ionen-Batterien, sollen die Experimente im dritten Förderjahr exemplarisch auf die Untersuchung des Li-Transports in lithiumhaltigen Li2Si-Schichten und in Si-Schichten unter mechanischer Spannung ausgedehnt werden.Das grundlegende Konzept der vorgeschlagenen Methode in Kombination mit ihrer Flexibilität sie auf verschiedenste Materialsysteme anzuwenden, macht sie für einen breiten Interessenbereich interessant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen