Li-Diffusionseigenschaften von LiMnxFe1-xPO4-Kathoden-Materialien für Li-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567205453

Der vorliegende Projektantrag befasst sich mit dem Phänomen der Li-Diffusion in LiMnxFe1-xPO4-Verbindungen als Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien. Generell ist die Li-Diffusion wichtig für ein grundlegendes Verständnis der kinetischen Prozesse an Elektroden und für die Leistungsfähigkeit der Batterie (Lade-/Entladezeiten, maximale Kapazität, Nebenreaktionen). Einige Vorteile von LiMnxFe1-xPO4 im Vergleich zu anderen Elektrodenmaterialien sind eine lange Zykluslebensdauer, thermische und chemische Stabilität, Sicherheitsaspekte und Umweltfreundlichkeit. Es gibt jedoch auch Nachteile wie niedrige Li-Diffusionskoeffizienten zusammen mit einer geringen elektronischen Leitfähigkeit in der Nähe der Raumtemperatur. Dies führt zu einer nicht optimalen Leistung und zu einer unvollständigen Kapazitätsausnutzung, was die großmaßstäbliche Anwendung im Bereich der Akkumulatoren einschränkt. Folglich sind für eine Verbesserung eine detaillierte Untersuchung der Li-Tracer-Diffusion und das Verständnis des Diffusionsmechanismus von besonderer Bedeutung.Ziel des Antrags ist die Durchführung der ersten systematischen Li-Tracer-Diffusionsexperimente in LiMnxFe1-xPO4. Um intrinsischen Eigenschaften zu charakterisieren, wird die Diffusion in bindemittelfreiem und additivfreiem polykristallinem Material untersucht. Das Material wird durch Festkörperreaktion und Sintern hergestellt. Für die Tracer-Diffusionsexperimente wird eine dünne, mit 6Li-Isotopen angereicherte Tracerschicht auf eine Probe mit natürlicher Isotopenzusammensetzung (6LiMnxFe1-xPO4 / LiMnxFe1-xPO4) aufgebracht. Anschließend werden die Proben diffusionsgeglüht, was zu einer Eindiffusion von 6Li in die zu untersuchende Probe führt. Die Isotopentiefenprofile werden mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessen. Durch Vergleich des 6Li-Tiefenprofils vor und nach dem Glühen mit geeigneten Lösungen der Diffusionsgleichung können Diffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Experimente werden in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt. Die Aktivierungsenthalpie der Diffusion soll bestimmt und im Rahmen der theoretischen Literatur analysiert werden, was Rückschlüsse auf die Punktdefektstruktur erlaubt. Die Ergebnisse werden mit denen von elektrochemischen Methoden verglichen: Potentiostatische intermittierende Titrationstechnik (PITT) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) an demselben Materialtyp bei Raumtemperatur. Die Unterschiede der Ergebnisse werden diskutiert und interpretiert. Die Genauigkeit und Gültigkeit der elektrochemischen Methoden zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten soll herausgearbeitet werden. Es soll identifiziert werden, bei welchem Mn/Fe-Verhältnis x in LiMnxFe1-xPO4 die höchsten Diffusionskoeffizienten und die niedrigsten Aktivierungsenergien für einen optimierten Einsatz als Kathodenmaterial aus Sicht der Kinetik auftreten. Es sollten Strategien zur Optimierung der Li-Diffusion in diesen Materialien abgeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen