Korrelation von Modell- und kommerziellen Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien mittels In-situ-Bestimmung thermodynamischer und kinetischer Daten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Fritze
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 180022048

Wesentliche Anforderungen an die Entwicklung von Hochleistungs-Lithiumionenbatterien umfassen die Kenntnis der Transportkinetik und der thermodynamischen Eigenschaften. Die hier begonnenen systematischen Untersuchungen basieren auf einem neu entwickelten Dünnschicht-Kalorimeter (Thin-Film Calorimetry, TFC). Weiterhin werden neue Materialien für Lithiumionenbatterien wie TiO2-Nanoröhren, Si-modifizierte TiO2-Nanoröhren, MoS2 und NMCA hergestellt und charakterisiert. Dabei werden deren Gefüge und die elektrochemische Leistungsfähigkeit korreliert.Der Test des TFC-Systems erfolgt mit den Referenzmaterialien Sn und Al und bestätigt dessen Funktion. Weiterhin werden die o. g. Batteriematerialien charakterisiert sowie Phasenumwandlungen und zugehörige Enthalpien ermittelt. Die Materialien werden innerhalb des SPP und dieses Projektes synthetisiert. Das TFC-System soll in der zweiten Periode des SPP als zentrales Servicegerät genutzt werden.Drei verschiedene MoS2-Nanogefüge werden hergestellt und in Bezug auf deren Gefüge charakterisiert. Die spezifische Oberfläche weist große Unterschiede auf, beginnend von 1 m2/g für die schwammartigen Nanostrukturen bis zu 100 m2/g für die Nanoflocken. Auch die elektrochemischen Leistungsfähigkeiten dieser Proben weichen stark voneinander ab. Spezifische Anfangskapazitäten reichen von 700 mAh/g (Nanoröhren) bis zu nur 105 mAh/g (Nanoflocken). Amorphe Schichten erhalten ihre Kapazität von mehr als 500 mAh/g während des Zyklierens. Weiterhin werden TiO2-Nanoröhren mittels anodischer Oxidation von fluorhaltigen Medien hergestellt. Die sich ergebenden Schichten bestehen aus selbstorganisierten Nanoröhren. Die Lithiierung der Nanoröhren wird in ionischen Flüssigkeiten und Karbonat basierten Elektrolyten untersucht. Die Art des Elektrolyten beeinflusst die Leistung amorpher Schichten nicht. Eine Wärmebehandlung führt zur Bildung von Anatase, welches sich beim galvanostatischen Zyklieren stabil verhält. Amorphe Schichten zeigen nahezu 100 % der theoretischen Kapazität. Demgegenüber verliert Anatase nach 200 Zyklen etwa 30 % der Kapazität.Nachdem in der ersten Projektphase neue experimentelle Methoden aufgebaut und getestet wurden, soll nun der Schwerpunkt auf der Routineanwendung dieser Methoden und der Untersuchung der Transportkinetik der Aktivmaterialien liegen. Beispielsweise sollen Materialien mit einem anwendungsnahen Gefüge hergestellt und charakterisiert werden. Weiterhin sollen Phosphonium basierte ionische Flüssigkeiten mit verschiedenen Zusätzen in Bezug auf den Ionentransport und die Brennbarkeit untersucht werden. Zur Korrelation von Transportdaten und Gefüge sollen Modellrechnungen durchgeführt werden. Verschiedene, auf dem TFC-System basierende Kooperationen wurden inner- und außerhalb des SPP gestartet. Weiterhin arbeiten wir aktiv in den Fokusgruppen Kalorimetrie, Dünnschicht-Batterien und Elektrochemie mit.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1473: WeNDeLIB - Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien