Lithium-Tracer-Diffusion in Lithium-Metalloxid-Verbindungen für Batteriekathoden

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413672097

Der vorliegende Projektantrag beschäftigt sich mit dem Phänomen der Li-Diffusion in Lithium-Metalloxid-Verbindungen als Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien. In diesem Zusammenhang ist die Diffusion wichtig für ein grundlegendes Verständnis der kinetischen Prozesse an Elektroden und der Batterie-Performance (Lade-/Endladezeiten, maximale Kapazität, Nebenreaktionen). Das Ziel ist, die ersten systematischen Li-Tracer-Diffusionsuntersuchungen in Modellsystemen des geschichteten Strukturtypes (LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2; LiCoO2) und des Spinel-Strukturtyps (LiNi0.5Mn1.5O4; LiMn2O4) durchzuführen. Lithium-Metalloxide in Form von gesinterten Volumenmaterialien, dünnen Schichten und Einkristallen (nur LiCoO2) werden untersucht. Tracer-Diffusionsexperimente werden durch Abscheiden einer mit 6Li-Isotopen angereicherten Schicht auf einer Schicht mit natürlicher Isotopenzusammensetzung realisiert (z. B. 6LiCoO2/LiCoO2). Danach werden die Proben bei erhöhter Temperatur diffusionsgeglüht, was zu einem Eindringen von 6Li in den zu untersuchenden Film führt. Isotopentiefenprofile werden durch Sekundärionen-Massenspektrometrie bestimmt. Durch einen Vergleich des 6Li-Tiefenprofils vor und nach dem Glühen mit adäquaten Lösungen der Diffusionsgleichung können Diffusionskoeffizienten abgeleitet werden. Die Experimente werden in Abhängigkeit von der Temperatur, dem strukturellen Zustand und dem Li-Gehalt (z. B. Li1-xCoO2) durchgeführt.Folgen die Diffusionskoeffizienten dem Arrhenius-Gesetz, wird die Aktivierungsenthalpie der Diffusion bestimmt und Rahmen der Literatur analysiert. Die Ergebnisse werden mit denen elektrochemischer Methoden (Galvanostatic Intermittent Titration Technique) am gleichen Materialtyp verglichen. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen wird diskutiert und interpretiert. Die Genauigkeit und Gültigkeit elektrochemischer Methoden Zur Bestimmung von Diffusionskoeffizienten soll herausgearbeitet werden.Die Arbeiten sind ebenfalls für die Weiterentwicklung des von Tracerdiffusionsexperimenten von Interesse, der bei Li-basierten Materialien trotz seiner Vorteile kaum eingesetzt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen