Grenzflächenphänomene in ionenleitenden Systemen: Untersuchungen mit Methoden der Oberflächenforschung

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Dr. René Hausbrand
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258032533

Elektrochemische Systeme mit ionenleitenden Elektroden sind zentraler Bestandteil einer zukünftigen regenerativen Energieökonomie. In diesen Systemen nehmen Grenzflächen eine Schlüsselfunktion ein, sind aber im Detail nicht verstanden. Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, das grundlegende Verständnis von praxisrelevanten Grenzflächen in elektrochemischen Systemen zu verbessern. Als Untersuchungsgegenstand dienen Grenzflächen in Li-Ionenbatterien.Konkretes Ziel ist, die Struktur und Reaktivität von heterogenen Grenzflächen in Li-Ionen-Verbundkathoden zu untersuchen und ihren Einfluss auf den Ionen- und Elektronentransport zu bestimmen. Die Kombination von experimenteller Arbeit und computergestützter Simulation soll die Ableitung eines wissensbasierten Grenzflächendesigns ermöglichen. Damit befasst sich das vorliegende Projekt mit Schlüsselthemen für die zukünftige Entwicklung von Batterien bzw. allgemein von elektrochemischen Zellen mit ionenleitenden Elektroden.Unser Ansatz ist, gut definierte Heterogrenzflächen mit Methoden der Oberflächenforschung zu untersuchen und die Ergebnisse mit Simulationsrechnungen zu verbinden. Die Grenzflächen werden Schritt für Schritt durch Abscheidung aus der Gasphase präpariert und nach jedem Schritt mit Photoemissionsspektoskopie analysiert. Dieser methodische Ansatz ermöglicht einzigartige Einsichten bezüglich Bildungsmechanismen und Eigenschaften von Grenzflächen, zum Beispiel der Bandanpassung, Bildung von Dipol- bzw. Raumladungsschichten sowie Ionen- und Elektronen-transfer. Der Schwerpunkt des Projekts liegt hierbei auf der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt.Die experimentellen Arbeiten werden in unserem integrierten UHV-System für Batterieforschung in Darmstadt sowie mit unserem UHV-basiertem System zur Analyse für fest-flüssig Grenzflächen bei Bessy II in Berlin durchgeführt. Mit diesen Systemen präparieren wir Grenzflächen durch sequentielle Schichtabscheidung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, sowie durch Tieftemperatur-Adsorption von flüchtigen Elektrolytbestandteilen. Die Photoelektronen-spektroskopische Analyse wird dabei durch andere oberflächenwissenschaftlichen Analysemethoden unterstützt, wie Elektronenverlustspektroskopie (HREELS) und Elektronentransmissions-mikroskopie (HRTEM), sowie durch bekannte elektrochemische und elektrische Messmethoden.Aufgrund der grundlagenorientierten Ausrichtung des Projekts werden die Untersuchungen an bekannten Materialien durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen sind Grenzflächen zwischen aktivem Kathodenmaterial und Elektrolyt (flüssig und fest), sowie zwischen aktivem Kathodenmaterial und Stromableiter. Konkret ist geplant, LixCoO2 in dünnen Schichten zu präparieren und die Bildung der Grenzfläche in Abhängigkeit des Lithiumgehalts zu untersuchen. Als Festkörperelektrolyt wird Stickstoff-substituiertes Phosphatglas (LiPON) zum Einsatz kommen, als Bestandteil von flüssigem Elektrolyt soll Diethylcarbonat (DEC) verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Wolfram Jaegermann