Amorphe Al-basierte Anodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Franziska Thoss

Li-Ionen-Batterien sind die derzeitig leistungsfähigsten, wiederaufladbaren Batterien und daher in portablen, elektronischen Geräten Stand der Technik. Der Einsatz für Elektro- bzw. Hybridantrieb-Fahrzeuge und für die Zwischenspeicherung regenerativ erzeugter Energie ist Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Li-Ionen-Batterien zeichnen sich besonders durch ihre hohe Energiedichte aus. Diese ist in hohem Maße von der spezifischen Kapazität der Elektrodenmaterialien abhängig. In konventionellen Li-Ionen-Batterien werden aktuell Graphit¬ano¬den eingesetzt. Durch die relativ niedrige maximale Laderate von 3C sind Graphitanoden für die Anwen¬dung in Kraftfahrzeugen suboptimal. Ein weiterer Nachteil ist das Auftreten von Li-Plattierungen, welche die weitere Lithiierung der Elektrode verhindern und darüber hinaus das zum Kurzschluss führende Wachstum von Dendriten fördern. Die maximale spezifische Kapazität von 372 Ah/kg ist ein weiterer limitierender Faktor. Aus diesem Grund ist es von besonderem Interesse, neue Materialien mit höheren spezifischen Kapazitäten zu untersuchen. Theoretisch stellen Li bzw. (intermetallische) Li-Verbindungen alternative Anodenmaterialien dar, da sie mit 3861 Ah/kg für metallisches Li bzw. 993 Ah/kg für die kristalline Phase LiAl, eine wesentlich größere spezifische Kapazität aufweisen als Graphit. Während elementares Li in kommerziellen, klassischen Li-Ionen-Batterien aufgrund von Sicherheitsproblemen durch die extreme Reaktivität nicht eingesetzt wird, bieten intermetallische Li-Verbindungen den Vorteil einer hohen thermischen und chemischen Stabilität. Allerdings haben diese auch einen bedeutenden Nachteil. Durch die Ein- und Auslagerung von Li während der Lade- und Entladevorgänge kommt es phasenumwandlungsbedingt zu enormen Volumenänderungen von 100-300 %. Durch die Sprödigkeit der entstehenden intermetallischen Li-Phasen zerbrechen die Partikel des Elektrodenmaterials, wodurch es zum Kontaktverlust und damit zum Abfall der spezifischen Kapazität kommt. Ziel der hier vorgestellten Arbeit ist es, die beschriebenen Volumenänderungen durch den Einsatz eines amorphen metallischen Anodenmaterials weitestgehend zu vermeiden. Ist es möglich, Li-Ionen in eine amorphe Anode ein- bzw. auszulagern, kommt es dabei voraussichtlich zu keiner extremen Volumenänderung wie in kristallinen Strukturen, da im amorphen Zustand durch die fehlende kristalline Fernordnung keine Phasenumwandlung stattfindet. Eine Defunktionalisierung durch Kontaktverlust könnte daher verhindert bzw. minimiert werden.Pulver der mittels melt spinning hergestellten, amorphen Legierungen Al86Ni8La6 und Al86Ni8Y6 zeigten eine nur sehr geringe Fähigkeit zur Einlagerung von Li. Rekristallisierte Pulver hingegen besitzen im Gegensatz zu amorphen Pulvern ab einer bestimmten Wärmebehandlungstemperatur die Fähigkeit, Li einzulagern. Während die Lithiierung im kristallinen Zustand über einen Phasenumwandlungsprozess realisiert wird, ist im amorphen Zustand ein der Größe der Li-Ionen entsprechendes freies Volumen für die Diffusion und Einlagerung der Li-Ionen notwendig. Daher wurden die Dichten beider Legierungen im amor¬phen und im kristallinen Zustand bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Raumerfüllung im amorphen Zustand nur wenig geringer als im kristallinen Zustand ist. Demzufolge ist im vorliegenden, amorphen Material nicht genügend Platz (freies Volumen) für die Diffusion und Einlagerung von Li-Ionen vorhanden.

Förderzeitraum:
01.12.2009 - 30.11.2012

Institut:
IFW Dresden Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden

Betreuer:
Prof. Dr. Jürgen Eckert

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