Schichtgitteroxid-Kathoden für Natrium-Ionen-Batterien: Korrelation von elektronischer Struktur mit elektrochemischem Potential und Alterung

• Antragsteller: Dr. René Hausbrand; Dr. Philipp Komissinskiy
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263335462

Natrium-Ionen-Batterien sind vielversprechende Kandidaten für die zukünftige Energiespeicherung. Ihre Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien sind die hohe Verfügbarkeit von Natrium sowie geringe Kosten. Aufgrund von vergleichsweise niedrigerer Kapazität und Zellspannung ist ihre Energiedichte jedoch geringer, zudem wird nicht dieselbe Zyklenstabilität erreicht. Zellspannung und Zyklenstabilität von Ionen-Batterien werden maßgeblich durch ihre Elektrodenmaterialien bestimmt, und sind eng mit deren elektronischer Struktur und Veränderungen bei der Ein- bzw. Auslagerung von Alkali verknüpft. Derzeit liegen keine systematischen Untersuchungen der elektronischen Struktur von Natrium-Ionen Einlagerungsmaterialien vor, und entsprechend ist ihr Einfluss auf Elektrodenpotential, Kapazität und Alterung nur unzureichend verstanden.In diesem Projekt soll die elektronische Struktur von Natrium-Schichtgitteroxiden analysiert und ihre Elektrodenpotentiale bestimmt werden. Ziel ist es, Elektrodenpotential, intrinsische Stabilitätsgrenzen (voltage limits) sowie Alterungsphänomene mit der elektronischen Struktur zu korrelieren. Die Ergebnisse werden mit Daten der entsprechenden Lithium-haltigen Materialien verglichen. Hierdurch wollen wir ein fundamentales Verständnis sowohl der Entstehung der Batteriespannung als auch der Stabilität der Elektrodenmaterialien schaffen, das als Grundlage für weitere Entwicklungen dienen soll.Der Projektplan sieht vor, die Kathodenmaterialien in dünnen Schichten als Modellelektroden herzustellen, ihre elektronische Struktur in Abhängigkeit von Alkaligehalt und Zyklenanzahl zu bestimmen, und die Ergebnisse mit Strukturdaten und elektrochemischen Eigenschaften zu korrelieren. Außerdem ist geplant, Stapel aus Elektroden- und Festkörperelektrolytschichten zu präparieren, um Bandanpassung und absolutes Elektrodenpotential zu bestimmen. Die Analyse von elektronischer Struktur, Bandanpassung und Elektrodenpotential erfolgt hierbei mit der Photoemission (XPS/UPS). Da eine dezidierte Analyse von Elektrodenoberflächen nach Kontakt mit Flüssigelektrolyt durch Bildung von Grenzflächenphasen (solid electrolyte interface) beeinträchtigt ist, soll die Vermessung der elektronischen Struktur in-situ mithilfe von Festkörperzellen durchgeführt werden. Als weitere Analysemethoden finden HRTEM/HRSEM und XRD sowie gängige elektrische und elektrochemische Verfahren Anwendung.Schwerpunkt des Projekts sind die Eigenschaften von Natriumkobaltat (NaxCoO2) und verwandten Materialien. Kobaltate gehören zur Familie der Schichtgitteroxide, die sehr erfolgreich in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden und auch vielversprechende Eigenschaften für Natrium-Ionen-Batterien zeigen. Ausgehend von der Untersuchung von Natriumkobaltat sollen im weiteren Verlauf des Projekts dotierte Kobaltate mit höherer Stabilität (Li-Dotierung) und/oder höherem Potential (Ni- und Mn-Dotierung) untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Lambert Alff; Professor Dr. Wolfram Jaegermann