Über den Ursprung des Null-Grenzflächenwiderstands im System Li6.25 Al0.25 La3 Zr2 O12 Li0
Eine atomistische Untersuchung
03.12.2021 von G. Rühl
Das Verständnis der Art des Ionentransfers an der Grenzfläche zwischen Li-Metall und Festelektrolyten (SE) ist für die weitere Optimierung von Li-Ionen-Batterien in festem Zustand von entscheidender Bedeutung. Daher wird in dieser Arbeit der Li-Transfer an der SE|Li-Metall-Grenzfläche mit Hilfe von ab initio Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Der aluminiumdotierte Granat Li 6.25 Al 0.25 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) wird aufgrund seiner praktischen Stabilität gegenüber Li-Metall als Modell-SE betrachtet. Ein Niedrigenergie-Grenzflächenmodell in bikristalliner Geometrie wird konstruiert und durch Berechnungen des elastischen Bandes sowie durch ab initio Molekulardynamik (AIMD) Simulationen untersucht.
Um in den AIMD-Simulationen zwischen Grenzflächen- und Bulk-Transport zu unterscheiden, wird ein Nachbearbeitungsprotokoll entwickelt. Wir stellten fest, dass die Aktivierungsenergien und Diffusivitäten von Li im LLZO-Volumen und an der Grenzfläche vergleichbar sind, was beweist, dass die Grenzflächenkinetik nicht geschwindigkeitslimitierend ist. Darüber hinaus zeigte die Analyse der elektronischen Struktur, dass der Ladungstransfer schrittweise erfolgt. Schließlich erklärt der Al3+-Verlust von LLZO an der Grenzfläche den experimentell beobachteten Phasenübergang von kubisch zu tetragonal, der in der Nähe der Li-Metallkontakte beobachtet wurde.
