Thematischer Workshop "Lithium-Ionen-Batterien: Synthese

10.06.2010 KIT, Campus Süd
Thematischer Workshop "Lithium-Ionen-Batterien:
Synthese, Charakterisierung und Processing" am
10. Juni 2010 - Abstract
Entwicklung von Dünnschichtkomponenten für LIB mittels
HF-Magnetronzerstäubung und lasergestützten Prozessen am IMF I
C. Ziebert, B. Ketterer, M. Hagen, A. Knorr, K. Seemann, C. Adelhelm,
R. Kohler, J. Pröll, P. Smyrek, W. Pfleging, S. Ulrich
Die Anforderungen an Hochleistungsmaterialien für Kathoden, Anoden und Elektrolyten in
Lithium-Ionen-Batterien (LIB) hinsichtlich der notwendigen physikalischen, chemischen, und
elektrischen Eigenschaften erfordern ein anspruchsvolles und komplexes Profil, dem
insbesondere Dünnschichten gerecht werden können. Vor allem Anwendungen für mobile
Systeme erfordern ein innovatives, industrietaugliches Dünnschichtbatteriekonzept, um eine
Erhöhung von Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit, Lebensdauer sowie kurze
Laderaten zu realisieren. Die für eine kommerzialisierbare LIB großen Vorteile der
Dünnschichttechnologie im Vergleich zu anderen Verfahren bestehen zum einen in der
Abscheidung von Elektroden- und Elektrolytmaterialien auf dünnen und damit leichten
Trägermaterialien und zum anderen in der Vergrößerung der aktiven Oberfläche um einen
Faktor 10. Damit könnten große "stapelbare" Flächen realisiert werden, die zu hohen
Leistungsdichten und damit kurzen Laderaten bei gleichzeitig hoher Strukturstabilität führen.
Die große Schichtoberfläche kann durch eine angepasste Strukturierung und Modifizierung
mittels lasergestützter Prozesstechniken um einen Faktor >10 weiter vergrößert werden,
beispielsweise durch die Erzeugung kegelförmiger Strukturen im Mikro- und
Submikrometerbereich mit einem hohen Aspektverhältnis. Der Prozess des LaserAnnealings kann gezielt zur Einstellung der Kristallinität, der Korngröße und der Textur der
Dünnschichtsysteme sowie zur Vermeidung der Schichtdelamination bei der Temperung
eingesetzt werden. Darüber hinaus tragen auch ein Nanokompositdesign durch
Ummantelung des aktiven Materials sowie der Ersatz von Flüssigelektrolyten durch
Feststoffelektrolyten zu einer höheren Degradationsbeständigkeit (Lebensdauer) und
erhöhten Sicherheit bei.
Daher wird am IMF-I gezielt die viel versprechende Kombination aus der
Dünnschichtabscheidung durch Magnetronzerstäuben (Sputtern) und lasergestützten
Prozessen der Strukturierung auf Mikro- und Nanometerskala, der Modifizierung und des
Annealings eingesetzt, um Dünnschichtkomponenten für LIB mit präzise einstellbaren
Eigenschaftsprofilen und Strukturen zu entwickeln. Die abgeschiedenen Elektroden- und
Feststoffelektrolytschichten werden umfassend von der Makro- bis zur Nanoskala
charakterisiert. Dazu gehören die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung (ICPOES, Trägergasheißextraktion, Mikrosonde), die Identifizierung und Charakterisierung der
kristallinen und amorphen Phasenanteile und der Mikrostruktur (XRD, XRR, REM, TEM,
Raman-Spektroskopie), die Untersuchung der Oberflächentopographie (AFM), die
Untersuchung der Leitfähigkeiten (Impedanzspektroskopie) sowie die Untersuchung der
Zellparameter (Zyklentest). Es werden Beispiele für alle drei Batteriekomponenten (Kathode,
Anode, Feststoffelektrolyt) gezeigt und anhand dieser das Potenzial der Kombination der
eingesetzten Methoden hinsichtlich Einstellung der Kristallstruktur und der Textur, der
Kristallitgrößen, der Morphologie, der Oberflächentopographie und der Zyklenstabilität
aufgezeigt.