Nanoskalige Charakterisierung von Kompositelektroden für Festkörperbatterien mittels elektrochemischer AFM-Methoden

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Roling
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424885312

Volumen-Festkörperbatterien gelten aufgrund ihrer im Vergleich zu heutigen Lithiumionenbatterien potentiell höheren Energiedichte und höheren Batteriesicherheit als versprechende elektrochemische Energiespeicher für zukünftige Anwendungen im Bereich der Elektromobilität. Im Falle von Li-Festkörperbatterien bestehen die Kompositelektroden aus Aktivmaterial-Partikeln, die Li+-Ionen reversibel interkalieren, und aus Festelektrolyt-Partikeln, wobei die Größe beider Partikelsorten im micro-m- bis sub-micro-m-Bereich liegt. Um die elektrochemischen Prozesse in solchen Elektroden besser zu verstehen, ist eine ortsaufgelöste Charakterisierung mit einer örtlichen Auflösung auf der sub-micro-m-Skala wünschenswert. Hierfür sind auf Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierende elektrochemische Messmethoden gut geeignet. In diesem Projekt sollen AFM-basierte Methode, die teilweise im Vorgängerprojekt entwickelt wurden und teilweise aus der Literatur bekannt sind, für die elektrochemische Charakterisierung von Kompositelektroden eingesetzt werden. Dazu sollen sechs Kompositelektroden präpariert werden, die sich unterscheiden in der thermodynamischen und kinetischen Stabilität der Grenzflächen zwischen Festelektrolyt-Partikeln und Aktivmaterial-Partikeln. Als Festelektrolyt wird in allen Kompositelektroden das sulfidische Material Li5,3PS4,3ClBr0,7 (LPSClBr) mit einer Ionenleitfähigkeit von etwa 5 mS/cm eingesetzt. Folgende Aktivmaterialien-Partikel werden verwendet: (i) LiCoO2 unbeschichtet, (ii) LiCoO2 mit LiNbO3-Beschichtung (iii) LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 unbeschichtet; (iv) LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 mit LiNbO3-Beschichtung (v) LiFePO4 unbeschichtet und (vi) Li4Ti5O12 unbeschichtet. Zum Aufbau einer Festkörperbatterie wird die jeweilige die Kompositelektrode mit einem Festelektrolyt-Separator und einer Li-Gegenelektrode kombiniert. Für die Charakterisierung der Kompositelektroden werden die Methoden Conductive AFM, Kelvin Probe Force Microscopy und Electrochemical Strain Microscopy mit einer FIB/SEM/EDX-basierten Analyse von Topographie und chemischer Zusammensetzung kombiniert. Die Messergebnisse sollen grundlegende neue Erkenntnisse zu den lokalen elektrochemischen Eigenschaften einzelner Partikel in den Kompositelektroden sowie zu den lokalen Eigenschaften von Partikel/Partikel-Grenzflächen liefern. Hierbei stehen folgende Aspekte im Vordergrund: (a) Ladezustandsabhängige chemische Potentiale von Li+-Ionen und Elektronen in einzelnen Aktivmaterial-Partikeln; (b) Ladezustandsabhängige ambipolare Li-Diffusionskoeffizienten in einzelnen Aktivmaterial-Partikeln; (c) Vegard-Verformungen einzelner Aktivmaterial-Partikel; (d) Raumladungszonen und resistive Interphasen an der Grenzfläche zwischen Aktivmaterial-Partikeln und Festelektrolyt-Partikeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen