Thermodynamik und Kinetik der Stabilisierung von Konversionselektroden für die Lithiumionenbatterien auf der Basis von nanoskaligen Kompositen der 3d Übergangsmetalloxide

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Ehrenberg; Professor Dr. David Rafaja; Professor Dr. Hans Jürgen Seifert; Professor Dr. Martin Winter
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 179962085

Die Zyklenstabilität von Elektrodenmaterialen, welche nach dem Konversionsmechanismus reagieren, liegt noch immer hinter den Anforderungen für kommerzielle Anwendungen zurück. Dieses Defizit kann nur mit einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen überwunden werden. Die Ergebnisse der ersten Förderperiode haben die gängige Annahme angefochten, dass die Ausgangsstruktur der Elektrodenmaterialien im ersten Zyklus komplett verändert wird. Der erarbeitete Konversionsprozess kann vielmehr als Kombination von rekonstruktiven Phasenumwandlungen und diffusionskontrollierten Austauschreaktionen beschrieben werden. Beide Prozesse werden von komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektrode und Elektrolyt, der Elektrolytreduktion und der Bildung thermodynamisch stabiler Phasen bestimmt. Die Verbesserung der Konversionselektroden in diesem komplexen System erfordert die Anpassung aller funktionellen Materialien aufeinander. Deshalb schlagen wir folgende Arbeitspakete für die 2. Förderperiode vor. (1) Modifizierung der chemischen Zusammensetzung des Ausgangszustandes, um die Eigenschaften der Elektrode in LIB zu verbessern. (2) Detaillierte Strukturuntersuchungen in verschiedenen Stadien des Lade- und Entladezyklus sowie in verschiedenen Alterungszuständen, um den Einfluss des Ausgangszustandes und der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials auf den Wirkungsmechanismus zu beschreiben und eine gezielte Modifizierung der Elektroden zu ermöglichen. (3) Thermodynamische Evaluierung und CALPHAD-Modellierung der Phasen, die an den elektrochemischen Reaktionen teilnehmen und deren Kenntnis für neue Konversionselektroden mit besserer Zyklenstabilität relevant ist. (4) Kalorimetrische Untersuchungen der Wärmeentwicklungen während des elektrochemischen Zyklierens und Korrelation zu den Werkstoffreaktionen und Phasentransformationen. (5) Beschreibung der Wechselwirkung zwischen dem Elektrolyten und den sich während des Konversionsmechanismus bildenden metallischen Nanopartikeln. Durch Modifikationen am Elektrolyten soll dessen Zersetzung umgangen werden, welche sich insbesondere am Standardelektrolyten und der Wechselwirkung mit Fe-Nanoteilchen aus dem System Cu-Fe-O festhalten lässt. Der Vergleich mit anderen 3d Übergangsmetalloxiden, wie dem zyklenstabileren System Cu-Co-O, wird hierzu ebenfalls herangezogen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1473: WeNDeLIB - Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien
• Beteiligte Person: Dr. Falko Schappacher