Phasenstabilität in Li-Legierungen für lithiumspeichernde Anodenmaterialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr (†); Professor Dr.-Ing. Rainer Schmid-Fetzer; Professorin Dr. Xiaoyan Song
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 180081180

Im gemeinsamen Projekt soll weiterhin das Verständnis der Phasenstabilität in Legierungssystemen, die sich als Anodenmaterial in Li-Ionenakkus eignen, vertieft werden. Auf der Grundlage der im ersten Projektabschnitt erreichten Ergebnisse werden auch methodische Herangehensweisen weiterentwickelt. Drei Projektpartner bündeln ihre Kompetenzen in der Theorie bezüglich der Calphad-Methode, der Thermodynamik von Nanomaterialien und der Kopplung von Thermodynamik und Kinetik bei Phasenübergangen, sowie ihre Kompetenzen in experimentellen Methoden bezüglich der Messung thermodynamischer Eigenschaften, der Herstellung von Nanomaterialien und der Charakterisierung nanoskaliger Strukturen.Der Grund für die Wahl der Systeme Li-Si-Sn-C und Li-Si-O-C liegt in der hohen Li-Speicherkapazität von Sn und Si und in der guten Leitfähigkeit und Zyklierbarkeit von Graphit. Für das Li-Si-Sn-System wird die thermodynamische Beschreibung auch amorphes Si und Si-Sn umfassen. Ziel ist es, die thermodynamische Beschreibung für den gesamten möglichen Längenskalenbereich des Gefüges bereitzustellen (grobkörnig - nanostrukturiert - amorph). Neu ist, dass der Einfluss von Sauerstoff auf kristallines und amorphes Si sowie auf andere relevante Phasen im Li-Si-C -System in die Untersuchungen mit einbezogen wird. Dabei beschränken wir uns auf feste Phasen, da andere Alternativen wie z.B. flüssige Schlacke nicht sinnvoll innerhalb der beantragten Dreijahresperiode behandelt werden können.In verschiedenen Veröffentlichungen wird gemutmaßt, dass die nächste Generation von Anodenmaterialien aus SiOx oder SiO-C-Kompositen bestehen könnte, deren herausragende Eigenschaften in Akkus des Formats 14500 bereits gezeigt wurden. Einige mögliche Vorgänge in SiO-C-Anoden werden in der Literatur zwar angesprochen, die Phasenstabilitäten, Umwandlungen und Reaktionen im dazugehörigen Legierungssystem Li-Si-O-C sind aber weitgehend ungeklärt.Im Projekt werden thermodynamische Beschreibungen der erwähnten Legierungssysteme zunächst für den Gleichgewichtszustand (für grobe Längenskalen des Gefüges) mit konsistenter, experimentell unterstützter Calphad-Modellierung erarbeitet. Unsere bislang verwendeten experimentellen Techniken werden durch die coulometrische Titration ergänzt, die gleichzeitig Daten für das chemische Potential von Li und dessen Konzentration in sehr gleichgewichtsnahen Zuständen liefert. Die Herstellungsmethoden für nanostrukturierte ternäre und quaternäre Li-Legierungen werden weiterentwickelt, um Korngrößen vom Nanometer- bis in den Mikrometerbereich einstellen zu können. Die Charakterisierungsmethoden im hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop werden ausgedehnt auf eine vollständige Korngrenzen- und Phasenanalyse in nanokristallinen Materialien. Unser Modell für die Thermodynamik der nanokristallinen hochkomponentigen Legierungen wird mit dem Calphad-Modell zusammengeführt, um ein komplettes Bild in mehrphasigen hochkomponentigen Li-Legierungen bereitzustellen.

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