Interkalationsbatterien

Plasma in einer Vakuumkammer

Ionenleiter und Li-Ionen Batterien

Wir arbeiten im Schwerpunkt Ionenleiter der AG insbesondere auf dem Gebiet der Lithium-Ionen (Li-Ionen) Batterien. Bei Li-Ionen Batterien werden im Betrieb Li-Ionen zwischen den Elektroden ausgetauscht und in den Elektrodenmaterialien reversibel ein- bzw. ausgelagert (bei Schichtgitterverbindungen spricht man auch von „Interkalation“). Wir befassen uns sowohl mit grundlagenorientierten Fragestellungen bezüglich Kathodenmaterialien, Festkörperelektrolyten, sowie deren Grenzflächen, als auch mit technologisch-relevanten Aspekten von Feststoffbatterien.

Ko-Sputteranlage
Ko-Sputteranlage

Analyse von Grenzflächen und Grenzflächenreaktionen

Den Aufbau von Grenzflächen bzw. Reaktionen an Grenzflächen untersuchen wir mithilfe UHV-gestützter Oberflächenanalytik, allen voran der Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS). Die Untersuchungen werden an Dünnschichtsystemen bzw. an dünnen Schichten durchgeführt, die mit der Magnetron-Kathodenzerstäubung hergestellt werden. Unter anderem führen wir Modellexperimente durch, bei denen Grenzflächen bzw. Adsorbatschichten schrittweise aufgebaut und analysiert werden. Ziel ist es, auf atomarer bzw. molekularer Ebene zu einem besseren Verständnis von Bildung, Stabilität und elektrischen Eigenschaften der Grenzflächen zu gelangen. Wir befassen uns z.B. mit der Grenzfläche zwischen aktivem Kathodenmaterial und Elektrolyt (flüssig wie auch fest).

Grenzfläche zwischen aktivem Kathodenmaterial und Flüssigelektrolyt

Den Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Kathodenmaterial und Elektrolyt (solid-electrolyte interphase, SEI) kommt eine hohe Bedeutung im Hinblick auf die Lebensdauer der Batterie zu. An dieser Grenzfläche kommt es zu Korrosionsreaktionen und zur Bildung von Reaktionsschichten, die zu einer Abnahme der Kapazität der Batterie bzw. einer Erhöhung des Innenwiderstands führen. In unserer Arbeitsgruppe versuchen wir, die entsprechenden Reaktionsmechanismen aufzuklären, die Grenzfläche durch künstliche Zwischenschichten zu stabilisieren und auf diese Weise die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.

Dünnschichtbatterie
Dünnschichtbatterie

Konzepte und Verfahren für Li-Ionen Dünnschichtbatterien

Batterien mit kleinen Abmessungen (Dünnschichtbatterien, Mikrobatterien) eignen sich prinzipiell für die Verwendung in integrierten elektronischen Schaltkreisen oder zusammen mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Die derzeitigen Forschungs- bzw. Entwicklungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Erhöhung der Kapazität bei gleichzeitig kleinem Fußabdruck, wie er zum Beispiel für MEMS-Anwendungen erforderlich ist. Dünnschichtbatterien sind 2-dimensionale Feststoffbatterien, bei denen die funktionellen Komponenten (Elektroden, Elektrolyt) mittels Dünnschichtverfahren lagenweise aufeinander abgeschieden werden. Prominente Merkmale von Lithium-Dünn¬schicht¬batterien sind eine hohe Zyklenstabilität, eine geringe Selbstentladung sowie die Eignung für sehr kleine Lade- bzw. Entladeströme. Die Verwendung von 3-dimensional strukturierten Substraten bietet die Möglichkeit, die Kapazität um mehr als eine Größenordnung zu erhöhen. Der Abscheidung von Batteriematerialien mit Dünnschichtverfahren sowie der Untersuchung von Elektroden-Elektrolytgrenzflächen kommt eine Schlüsselrolle für die Weiterentwicklung von Dünnschichtbatterien bzw. Mikrobatterien zu. Wir befassen uns sowohl mit Grenzflächen innerhalb von Dünnschichtbatterien als auch mit Abscheideverfahren für Schichten auf 3-dimensionalen Substraten.

Für die Beschichtung 3-dimensional strukturierter Substrate sind Verfahren mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) besonders geeignet. Im Allgemeinen vermögen diese Verfahren auch Oberflächen mit hohem Aspektverhältnis vollständig, d.h. lückenlos, zu beschichten. Daher befassen wir uns damit, verschiedene Batteriematerialien mit CVD-Prozessen abzuscheiden.

Aufklärung der elektronischen Struktur von aktiven Kathodenmaterialien

Die elektronische Struktur von Elektrodenmaterialien bestimmt wesentlich die Spannung der Batterie sowie die Stabilität der Materialien bei Ein- bzw. Auslagerung von Li-Ionen. In der Arbeitsgruppe befassen wir uns mit der Aufklärung der elektronischen Struktur von Kathodenmaterialien mit Schichtgitterstruktur.

Kompositkathode mit Kohlenstofffasern
Kompositkathode mit Kohlenstofffasern

Eigenschaften von 3-dimensional strukturierten Kathoden

Kommerzielle Batteriekathoden sind Komposite, die neben Partikeln des aktiven Kathodenmaterials auch Kohlenstoffpartikel sowie Bindemittel enthalten. Die Verwendung der verschiedenen Materialien gewährleistet eine ausreichende elektronische Leitfähigkeit innerhalb der Kathode bzw. die geforderte mechanische Integrität. Hierbei ist der Aufbau einer elektronenleitenden Perkolationsstruktur für die Materialklasse der Olivine von besonderer Bedeutung, da diese Materialien über eine äußerst geringe elektronische Leitfähigkeit verfügen. Durch die Verwendung von Kohlenstoffschäumen bzw. 3-dimensional strukturierten Kohlenstoffoberflächen versuchen wir, Vertreter dieser Materialklasse als Hochvoltkathoden nutzbar zu machen. Hierbei setzen wir sol-gel Verfahren ein, um die Kohlenstoffstrukturen mit aktivem Material zu beschichten.