Li-Diffusion in Lithium-Silizium-Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316931911

Thema des vorliegenden Antrags ist die erstmalige systematische Untersuchung der Li-Tracer-Diffusion im System Lithium-Silizium (LixSi). Dies ist einerseits von Relevanz für ein grundlegendes Verständnis kinetischer Prozesse in negativen Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien im Hinblick auf optimierte Ladezeiten, Leistungsdichte und maximale Kapazität. Andererseits besteht Interesse an der Weiterentwicklung einer im Bereich der Li-Diffusion kaum eingesetzten Methodik anhand eines interessanten Modellsystems. Die Experimente sollen an LixSi-Verbindungen in Abhängigkeit vom Li-Gehalt x, von der Temperatur, von der Glühzeit und von der Herstellungsmethode (sputtern, elektrochemisch) durchgeführt werden. Hierzu werden verschiedenartige Modellsysteme in Form von 6LixSi/7LixSi-Isotophetrostrukturen eingesetzt, die auf Si-Wafer-Substrate mit Ionenstrahl-Sputterdeposition aufgebracht werden. Vergleichende Untersuchungen an elektrochemisch lithiierten Silizium-Schichten sollen die Experimente ergänzen und die Unterschiede aufzeigen. Zur isotopenselektiven Analyse wird Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) im Tiefenprofilmodus und/oder Linscanmodus eingesetzt. Dies erlaubt eine Bestimmung von Diffusionskoeffizienten im Bereich von 10-10 bis 10-23 m2/s. Die Diffusionskoeffizienten sollen in einem Bereich zwischen Raumtemperatur und 500 °C als Funktion der Temperatur gemessen werden. Folgen die Diffusionskoeffizienten dem Arrheniusgesetz, wird die Aktivierungsenthalpie der Diffusion bestimmt und im Hinblick auf mögliche Diffusionsmechanismen im Rahmen von theoretischen Literaturarbeiten analysiert. Die Ergebnisse sollen mit elektrochemischen GITT-Messungen verglichen werden. Die Ergebnisse sollen vergleichend bewertet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen