In-operando Neutronenreflektometrie zur Bestimmung der Lithiierungsmechanismen von amorphen Silicium-Elektroden in Li-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266437955

Wieder aufladbare Lithium-Ionen-Batterien befinden sich als Energiespeicher großmaßstäblich in Gebrauch und werden für zukünftige Bedürfnisse kontinuierlich weiterentwickelt. Ein wichtiger Schritt ist hierbei die Einführung negativer Elektrodenmaterialien mit einer hohen spezifischen Kapazität, wie Silizium (4 Ah/g). Elektrodenprozesse während des Lade- und Entladevorgangs spielen dabei eine Schlüsselrolle für ein grundlegendes Verständnis und auch für die Optimierung dieser Batterien. Ziel des vorliegenden Antrags ist die experimentelle Bestimmung der Mechanismen des elektrochemisch getriebenen Lithiumeinbaus/der Lithiumextraktion (homogen/heterogen) in amorphen Silizium-Elektroden durch In-operando-Neutronenreflektometrie.Es sollen Experimente an elektrochemischen Zellen mit Dünnschicht- und Volumenelektroden bei galvanostatischer Prozessführung und zusätzlich bei potentiostatischer Prozessführung erfolgen. Die in-operando gemessenen Neutronen-Reflektrogramme werden mittels entsprechender Software auf der Basis geeigneter Modellvorstellungen simuliert und angepasst. Die Ergebnisse führen bei entsprechender Modellierung zu Informationen über den Lithiierungsmechanismus (homogener Einbau, bewegliche Phasenfront etc.) in Abhängigkeit von der Stromdichte, vom Elektroden-Potential und von der Zyklenanzahl.In Ergänzung soll ex-situ Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS), und Röntgendiffraktometrie (GIXRD) zur Bestimmung weiterer Systemparameter eingesetzt werden, um zusätzliche Informationen zur Modellierung der Reflektogramme zu erhalten.Die Arbeiten sollen auch dazu beitragen, die Neutronenreflektometrie-Methode zur In-operando-Charakterisierung von Batteriesystemen an diesem Modellsystem weiterzuentwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen