In situ Defektcharakterisierung von LiFePO4-Kathoden mit der Positronenannihilationsspektroskopie PAS

• Antragsteller: Professor Dr. John Banhart; Professor Dr. Aleksander Gurlo
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318160244

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gehören zu den erfolgversprechendsten Speichertechnologien unserer Zeit. Ziel des Projektes ist es, neue Erkenntnisse hinsichtlich der Defekte und ihrer Bildung in den Kathoden während der Nutzung zu gewinnen. Es soll die Positronenannihilationsspektroskopie (PAS) angewendet werden. Dabei soll die Möglichkeit geprüft werden, PAS als Analysewerkzeug für die in situ Defektcharakterisierung von LIBs zu etablieren. Die Untersuchungen beschränken sich auf das Kathodenmaterial LiFePO4. In Anlehnung an die im Labormaßstab häufig verwendeten Edelstahlgehäuse mit Druckverschraubungen (Swagelok, El-Cell) soll eine in-situ-Messzelle aufgebaut werden, die sich für PALS-Messungen während der Ladung/Entladung eignet. Mit Hilfe dieser in situ Zelle sollen die Vorgänge in der Kathode während des Lade-/Entladevorgangs auf atomarer Ebene verfolgt werden. Im Zentrum steht das Verhalten von Defekten wie Leerstellen und Grenzflächen - etwa durch Phasenumwandlungsprozesse. Es soll verstanden werden, welche Prozesse im Material ablaufen und wie sie optimiert werden können. Dynamische Positronenannihilationslebensdauerspektrosopie-PALS-Messungen mit einer bislang noch nicht realisierten Zeitauflösung wurden vom Antragssteller (Banhart, Stand 2011) neu entwickelt und sollen hier zum Einsatz kommen.Für die Etablierung der PAS hinsichtlich des Einsatzes in der Li-Ionen-Technologie ist es wichtig, mögliche Einflüsse verschiedener Materialparameter auf das PAS-Signal zu identifizieren. Teilziel ist es daher, Einflüsse der Korngröße, der Reaktionsart und verschiedener Defekte (Antisite-Defekte und Grenzflächen) auf das Positronensignal zu bestimmen. Parallel sollen ex-situ-Untersuchungen am reinen LiFePO4 Informationen zur Interpretation der in-situ-PALS-Ergebnisse am komplexen Kathodenmaterial (LiFePO4 + Leitruß + Binder) liefern. Die Ergebnisse der PAS-Untersuchungen werden einen neuen Blick auf die Umwandlungsmechanismen von LiFePO4 während des Ladens/Entladens bieten und einen Beitrag zur Diskussion der in der Literatur beschriebenen Modelle zu dieser Problematik beisteuern. Mit dieser, in seiner Art einzigartigen, in-situ-Messmethode ist es möglich, einen Zusammenhang zwischen den entstehenden Defekten und der sinkenden Zellperformance herzustellen. Falls, wie angestrebt, im Rahmen dieses Projektes die vorgestellten Modelle neu eingeordnet werden können und ihre Belastbarkeit unter realen Arbeitsbedingungen und unter Verwendung neuer innovativer in-situ-Charakterisierungsmethoden geprüft werden, wäre ein großer Schritt auf dem Weg zu einem umfassenderen Verständnis der Funktionsweise von LiFePO4 als Kathodenmaterial getan.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen