Lithiierte metallische Anoden (LixSn1-x) mit einer internen flüssigen Ga-reichen Matrix für wiederaufladbare Li-Ionen Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Jürgen Seifert, seit 5/2017
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314555937

Die Entwicklung einer neuen Generation von reversiblen Lithium Ionen Batterien mit wesentlich höheren Ladungsdichten und Zyklenstabilitäten als konventionell eingesetzte Zellen von heute, wird vorwiegend durch das Fehlen von geeigneten negativen Elektroden eingeschränkt. Um die Leistung der elektrochemischen Zellen zu erhöhen, wurden schon früh intermetallische Anodenmaterialien auf Basis von u.a. Sb, Si und Sn, als Alternative zu den kommerziellen Kohlenstoff Elektroden untersucht. Während diese Materialien signifikant höhere Ladungsdichten aufweisen, wird durch Volumenänderungen während dem elektrochemischen Lithiieren eine strukturelle Zersetzung der Anode initiiert welche Kontaktverluste der Elektrodenpartikel zur Folge hat. Besondere Aufmerksamkeit wurde einer kürzlich veröffentlichen Studie gegeben, die einen regulären Selbstheil-Effekt von reinem Ga als Elektrodenmaterial untersucht hat, wodurch expansionsinduzierte Risse im Elektrodenmaterial simultan repariert wurden. Die Motivation des aktuellen Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des ersten Sn-basierenden heterogenen Aktivmaterials mit einer tiefschmelzenden Ga-reichen Phase als interne Matrix. Im Zuge dieser Arbeit werden teure und zeitaufwendige Untersuchungen von Prototyp Anodenmaterialien vermieden. Stattdessen werden thermochemische Eigenschaften, Gleichgewichtsdiagramme und elektrochemische Messungen anhand geeigneter thermodynamischer Modelle entsprechend der CALPHAD Methode, welche bis heute die fortschrittlichste Methode zur Beschreibung komplexer mehrkomponentiger Systeme ist, verknüpft. GaxSn1-x Elektrodenmaterialien werden anhand von simultan modellierten Phasengleichgewichten im Mehrkomponentensystem Ga-Li-Sn auf Basis von thermochemischen Schlüsselexperimenten konzipiert. Im Fokus steht dabei die korrekte thermodynamische Modellierung der nicht-stöchiometrischen Phasen anhand kristallographischer Daten. Die exakte Beschreibung von Untergitter Besetzungen und Defektmechanismen führt zu einem besseren Verständnis des Li-Einbaus ins intermetallische Kristallgitter und soll in Hinblick auf die Zukunft zur Untersuchung neuer elektrochemischer Reaktionsmechanismen inspirieren. Eine vollständige thermodynamische Systembeschreibung erlaubt es geeignete Anodenmaterialien mit klar definierten makroskopischen Eigenschaften zu entwickeln und elektrochemische Parameter wie die Leerlaufspannung als Funktion der Reaktionsstrecke bei der jeweiligen Operationstemperatur vorherzusagen. Die elektrochemischen Daten der Lithiierung von geeigneten GaxSn1-x Elektrodenmaterialien sollen mit den modellierten thermodynamischen Daten verglichen werden und im Zuge eines iterativen Prozesses den Reaktionsmechanismus der Batterie erklären. Der vorgeschlagene Ansatz kann beliebig auf andere intermetallische Elektrodenmaterialien angewendet werden um zukünftig Materialforschung und Anwendung stärker zu verknüpfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Dr. Damian M. Cupid; Professor Dr. Hans Flandorfer
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Thomas Reichmann, bis 4/2017