Untersuchungen zur Deckschichtbildung auf LiNi0,5Mn1,5O4-Hochvoltkathoden: Die Kathoden/Elektrolyt-Grenzfläche in Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien

  • Investigation of the Formation of Surface Layers on LiNi0,5Mn1,5O4-High-Voltage-Cathodes: The Cathode/Electrolyte Interface of High-Voltage-Lithium-Ion-Batteries

Wedlich, Klaus; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = energy & environment Band/volume 381
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xvi, 158, xxxvi Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Um die CO2-Emmisionsziele der Bundesregierung erreichen zu können, ist es notwendig den CO2-Ausstoß von PKWs stark zu reduzieren. Die Substitution des herkömmlichen Verbrennungsmotors durch einen Batterieelektrischen Antrieb stellt hierfür eine geeignete Methode dar. Für einen ökonomischen Einsatz solcher Fahrzeuge sind eine hohe Reichweite und niedrige Kosten von hoher Bedeutung. Beide Kriterien können durch die Verwendung von Hochvoltkathodenmaterialien in den eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien erreicht werden. Da diese allerdings noch eine starke Alterung aufweisen ist ihr kommerzieller Einsatz bisher nicht möglich. Der dominierende Alterungsmechanismus in Hochvoltkathodenmaterialien ist in der Literatur noch nicht eindeutig beschrieben. In dieser Arbeit wurde am Beispiel des LiNi0,5Mn1,5O4-Hochvoltmaterials dieser Alterungsmechanismus identifiziert und sein Zusammenhang mit der Deckschichtbildung untersucht.Zunächst wurden Messungen an Vollzellen durchgeführt, die unterschiedliche Lithiumbeladungen aufwiesen. Durch die gezielte Auswertung der Kapazitätsverläufe in Kombination mit der Methode der differentiellen Kapazität konnte der dominierende Alterungsmechanismus als der Verlust an frei zyklisierbarem Lithium in der Zelle eindeutig identifiziert werden. Dieses Lithium wird in der Zelle gebunden und steht für den weiteren Zellbetrieb nicht mehr zur Verfügung. Für die Untersuchung, ob sich das gebundene Lithium als Deckschicht auf der Elektrodenoberfläche ablagert, wurde ein neuartiges Verfahren zur Probenpräparation entwickelt. Dieses erzeugt sehr glatte Probenoberflächen und gestattet es Deckschichten auf den Batterieelektroden optimal zu charakterisieren. Visuelle Untersuchungen dieser Proben mittels Rasterelektronenmikroskopie zeigten die Bildung einer geschlossenen Deckschicht auf der Elektrode. Es gibt zudem Hinweise, dass sich die Deckschicht ladezustandsabhängig wieder von der Elektrodenoberfläche ablöst. Die Charakterisierung der Deckschicht mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigte, dass diese aus Zersetzungsprodukten des Elektrolyten und aus Lithiumverbindungen besteht. Untersuchungen an Halb- und Vollzellen zeigten zudem, dass sich auf Halbzellen eine wesentlich dickere Deckschicht bildet, als auf Vollzellen. Das Ausmaß der Deckschichtbildung ist somit von dem in der Zelle verfügbaren Lithium abhängig. Diese Untersuchungen bieten einen Ansatzpunkt um die starke Alterung der Hochvoltkathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien zu reduzieren und diese Technologie für den kommerziellen Einsatz nutzbar zu machen.

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