Dünnschichtbatterien auf Basis elektrisch-induzierter Grenzflächenreaktionen

• Antragsteller: Dr. Frank Berkemeier
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233575965

Es soll eine neue Klasse von Lithium-Ionen Dünnschichtbatterien studiert werden, in der die herkömmlichen Elektroden durch eine neuartige, sich selbstbildende Reaktionsschicht ersetzt werden. Die Herstellung der Batterien wird dabei mittels reaktivem Ionenstrahl-Sputterverfahren erfolgen, wobei als Feststoffelektrolyt eine ultra-dünne Schicht des bekannten Netzwerkglases LIPON (Lithium Phosphorous Oxynitride) verwendet wird. Zur Abscheidung der Elektroden wird jedoch ein neuer, alternativer Ansatz verfolgt: An der Grenzfläche zwischen LIPON und einem einfachen Metall bildet sich durch Festkörperreaktion eine elektrochemisch-aktive Grenzflächenphase. Diese Grenzflächenphase übernimmt auf der Kathodenseite die Rolle des Aktivmaterials, so dass keine herkömmliche Interkalationskathode mehr abgeschieden werden muss.Der Wachstumsprozess und die Eigenschaften dieser Grenzflächenphase sind bislang allerdings nur unzureichend untersucht. Jüngste Ergebnisse aus Literatur und eigenen Arbeiten lassen vermuten, dass sie neuartige Eigenschaften aufweist, und zu einer deutlichen Steigerung von Energiedichte und Zyklenstabilität der Dünnschichtbatterien beitragen kann. Im Projekt sollen daher anhand des Modellsystems Pt-LIPON-Ag zunächst der Wachstumsprozess und die Eigenschaften dieser elektrochemisch-aktiven Phase studiert werden. Dabei soll z.B. geklärt werden, welche Grenzflächenreaktionen im Detail ablaufen, und wie diese Reaktionen die Speicherkapazität und Zyklenstabilität der Dünnschichtbatterien beeinflussen. Wichtige Werkzeuge werden dabei die Transmissionselektronenmikroskopie, die Zyklovoltammetrie und die Impedanzspektroskopie sein, mit deren Hilfe die Grenzflächenprozesse untersucht werden sollen. Darauf aufbauend soll im weiteren Projektverlauf ein Konzept zur Steigerung der Energiedichte und Zyklenstabilität dieser neuen Dünnschichtsysteme erarbeitet werden. Hierzu wird die Verwendung alternativer Materialien untersucht. Auf der Kathodenseite ist z.B. der Einsatz von Fe, Co, Mg, oder V geplant, wodurch möglicherweise eine Steigerung der Energiedichte erreicht werden kann. Auf der Anodenseite wird stattdessen z.B. eine dünne Lithiumtitanoxid Schicht verwendet, wodurch sich eventuell die Zyklenstabilität der Dünnschichtbatterien verbessern lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen