Strategie zur Erhöhung der Energiedichte und Verbesserung der Stabilität von LiMPO4 (M=Co, Ni)-Kathoden für Li-Ionen Festkörperbatterien

• Antragsteller: Dr. Gennady Cherkashinin
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447727465

Das Kathodenmaterial ist der Schlüssel für die Energiedichte und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Die thermodynamische Stabilität des Kathodenmaterialien hängt von der intrinsischen Spannungsgrenze ab. Diese ist wiederum jeweils von der materialspezifischen Oxidationsgrenze der Anionen im Festkörper bestimmt. Die extrinsische Stabilität der gesamten Batteriezelle wird zusätzlich beeinflusst von dem Redox-Potential des Elektrolyten und der chemische Kompatibilität der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt. Die Leistung der Batterie wird bestimmt durch die Li+ Ionen- und/oder Elektronen-Transfergeschwindigkeit durch das Volumen und über die Phasengrenze zwischen Elektrode und Elektrolyt. Um die Energie- und Leistungsdichten bei gleichzeitiger Erhaltung einer hohen Batteriestabilität zu erhöhen, müssen folgende Probleme gelöst werden: a) Die chemische Kompatibilität und thermodynamische Stabilität der Batteriezelle bei hohen Ladezuständen muss gewährleistet sein; b) möglichst hohe Migrationsraten von Li+ Ionen durch die Elektroden, Elektrolyten und durch die Phasengrenzen; c) hohe elektronische Leitfähigkeit in der Elektroden. Der Schwerpunkt unseres Projektes ist die Herstellung und Untersuchung neuartiger 5V-Festkörperakkus. Wir konzentrieren uns auf das LiMPO4 (M=Co, Ni) Olivin-basierte Kathodenmaterial, bei dem eine hohe Strukturstabilität im vollständig delithierten Zustand bereits erreicht wurde. Dies ist möglich durch eine Modifizierung des Materials mit einer weiteren Polyphosphatphase mit höherem Oxidationspotential. Die folgenden grundsätzlichen wissenschaftlichen Fragen sollen geklärt werden: a) Was ist der Grund für die ungewöhnlich hohe elektronische Leitfähigkeit des neuen Kathodenmaterials? b) Kann die Energiedichte der Batterie durch die Beteiligung der Polyphosphatphase an der Redoxreaktion erhöht werden? c) Sind die Olivin-basierten Materialien chemisch kompatibel mit dem hoch Li+ Ionenleitenden Festkörperelektrolyten? d) Ist die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt stabil und Li+ Ionenleitend beim Laden und Entladen des Akkus? Dünnschicht Kathodenmaterialien und ihre Grenzflächen sollen im UHV präpariert und ihre elektronischen und strukturellen Eigenschaften vorwiegend mittels In-Situ- und Operando- Elektronenspektroskopie, HRTEM/STEM und XRD in Verbindung mit der Modellierung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht werden. Mit diesem neuartigen Ansatz, sollen intrinsische und extrinsische Stabilitätsbereiche von Ionenleitern und ihren Grenzflächen erforscht werden, indem wir die Entwicklung der physikalisch-chemischen Eigenschaften während des Betriebs der Batteriezelle überwachen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Lambert Alff
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Matteo Cococcioni; Elena Magnano, Ph.D.