Räumlich und zeitlich aufgelöste in situ-Raman-Spektroskopie an Kathodenmaterialien von Li-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hess
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323860611

Li-Ionen-Batterien befinden sich heutzutage als mobile Energiespeicher in einer Vielzahl moderner IT-Geräte. Sie sind zudem für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität (Elektro- und Hybridfahrzeuge), aber auch als stationäre Energiequellen von großem Interesse. Vor allem im Hinblick auf letztere Anwendungen sind jedoch weitere technologische Entwicklungen notwendig. Eine rationale Entwicklung von Li-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte und Stabilität basiert auf einem grundlegenden Verständnis ihrer Funktionsweise. Dazu bedarf es der Entwicklung und Anwendung neuer experimenteller Ansätze, welche eine detaillierte Analyse der Batterie unter Arbeitsbedingungen ermöglichen. Die Raman-Mikroskopie hat das Potenzial, über eine räumlich-aufgelöste Analyse neue Einblicke in die Funktionsweise von Li-Ionen-Batterien zu geben.Ziel des geplanten Projektes ist es, durch räumlich-aufgelöste Experimente unter Arbeits-bedingungen neue Einblicke in die Wirkungsweise von LiCoO2- und Li(NiMnCo)O2- (NMC) Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien zu erhalten. Neben der Untersuchung der Dynamik der Kathodenmaterialien sollen dabei vor allem Untersuchungen an einzelnen Partikeln im Vordergrund stehen. Um die Einflüsse von Kohlenstoffadditiven und Bindermaterialien zu berücksichtigen, werden die Kathodenmaterialien in Form von Komposit-Kathoden bestehend aus Aktivmaterial, Kohlenstoff-additiv und Polyvinylidendifluorid untersucht. Methodisch liegt der Schwerpunkt auf der resonanzverstärkten in situ-Raman-Mikroskopie, welche einerseits für räumlich-aufgelöste Experimente, andererseits für Messungen an einzelnen Oxidpartikeln eingesetzt wird. Eine weitere signifikante Erhöhung der Empfindlichkeit der Methodik wird durch die weitere Optimierung der Resonanzverstärkung sowie die Ausnutzung von oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) und Änderungen des in situ-Zelldesigns erwartet. Die Charakterisierung der Komposit-Kathoden wird durch andere Methoden wie IR-, UV-Vis- und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie unterstützt.Ein Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Analyse von Oxid-Einzelpartikeln unter Arbeitsbedingungen. Auf diese Weise soll geklärt werden, inwieweit sich der Ladungszustand bzw. die Dynamik einzelner Partikel voneinander unterscheiden. Solch grundlegende Untersuchungen sind u.a. im Hinblick auf die beobachtete Ermüdung oder auch die Qualitätskontrolle von LiCoO2- und NMC-Kathodenmaterialien von großer Bedeutung. Ein weiterer Schwerpunkt der geplanten Untersuchungen ist die Heterogenität der Kathodenmaterialien sowie deren Dynamik. Ein alternativer Zugang, um Einblicke in die Wirkungsweise der LiCoO2- und NMC-Kathodenmaterialien zu erlangen, wird mittels der Atomlagenabscheidung (ALD) definierter Al2O3-Schichten verfolgt. Es wird erwartet, dass die in situ-Analyse Rückschlüsse auf die Ursache der positiven Einflüsse der Beschichtung auf das Verhalten der Kathodenmaterialien im Vergleich zu unbeschichteten Materialien ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen