Hybridstrukturen aus Phosphoolivinen des Typs LiMPO4 mit C-Nanofilamenten
für Li-Ionen-Batterien: Präparation, Eigenschaften und
Anwendungspotentiale

Privatdozent Dr. Helmut Ehrenberg
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) e.V.
Dresden

Professor Dr. Wolfram Jaegermann
Technische Universität Darmstadt
Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Fachgebiet Oberflächenforschung
Darmstadt

Professor Dr. Jörg J. Schneider
Technische Universität Darmstadt
Eduard Zintl-Institut für Anorganische und Physikalische Chemie
Darmstadt


Zusammenfassung
Fortgesetztes Ziel des Antrags bleibt die Herstellung von Hybridstrukturen
lithiumhaltiger Phosphoolivine des Typs LiMPO4 (M=Co, Ni, Mn, Fe) mit
geordneten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) bzw. C-Nanofasern für die
Anwendung als Kathodenmaterialien in Li-Ionenbatterien. Dazu sind die
Kompositstrukturen in ihren relativen Dimensionen und jeweiligen Volumen und
Grenzflächeneigenschaften hinsichtlich ihrer elektrischen, Ionen
leitenden und kapazitiven Eigenschaften für die Anwendung in Batterien
weiter zu optimieren. Als elektronisch leitfähige Substrate sollen neben den
bereits getesteten kommerziellen C-Nanofasern in der zweiten Phase des
Projekts zweidimensional strukturierte CNT-Bürstenstrukturen verwendet
werden. Die oxidative Konditionierung der C-Substrate mit HNO3/H2SO4 soll
mit UHV-Verfahren (z. B. O-Plasma) verglichen werden, um den Einfluss auf
die nachfolgende Abscheidung und die funktionalen Eigenschaften der CNT
Kathodenstrukturen zu verstehen. Die Abscheidung der Olivine erfolgt
weiterhin über die erfolgreichen Routen der Sol-Gel-Synthese aus der
Lösung bzw. aus wässrigen Lösungen durch Abscheidung von Prekursoren
mit anschließender Ionenaustauschreaktion zu LiMPO4. Alternativ sollen
Schlicker aus konditionierten LiMPO4–Nanoteilchen getestet werden. Dazu
sind experimentelle Bedingungen zu identifizieren, die eine kontrollierte
Morphologie der abgeschiedenen Schichten mit für die Anwendung idealen
Dicken und Kornstrukturen ermöglichen.
Die Substrate aus C-Nanofasern, die CNT-Bürstenstrukturen, die
entstandenen Schichten und die hergestellten Kompositstrukturen werden
mit Mikroskopie (REM, TEM, AFM/STM), Beugungsmethoden (XRD), sowie
Raman- und IR-Spektroskopie charakterisiert. Zusätzlich sind detaillierte
Untersuchungen zu den Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften der
Substrate und Kompositstrukturen als auch zu der chemischen
Zusammensetzung und den elektronischen Eigenschaften mit PES und XAS
vorgesehen. Darüber hinaus sollen durch dynamische Lichtstreuung
Kenntnisse über die Nukleationsgrößen und den zeitlichen Verlauf der
Nukleation der präkeramischen Phosphoolivinvorläufer gewonnen werden.
Durch elektrokinetische Messungen (z-Potential-Untersuchungen) soll
Auskunft über Oberflächenladungen und Polarisierungen der geordneten
CNT-Bürstenstrukturen sowie über die der Phosphoolevinvorläufer erhalten
werden. Diese Untersuchungen müssen in enger Kooperation aller drei
beteiligten Projektgruppen ausgeführt werden, da diese Ergebnisse ein tiefer
gehendes Verständnis der Steuerung der Größenverteilung der
Phosphoolivinpartikel sowie die der Dekorierung der CNTs zugrunde
liegenden chemischen Grenzflächenwechselwirkungen
Phosphoolivinpartikel/CNT-Strukturen liefern werden. Letztlich werden die
daraus gewonnenen Erkenntnisse die elektrochemischen Eigenschaften der
Phosphoolivin/CNT-Komposite nachhaltig mitbestimmen. Aus den Sol-Gel-
Suspensionen der Phosphoolivine sollen die präkeramischen Vorläufer über
eine Flussimprägnation innerhalb eines Mikroreaktors direkt in die CNT-Bürstenstruktur
deponiert werden und nach Kalzinierung in eine
selbsttragende zweidimensionale CNT/Phosphoolivin Kompositstruktur
überführt werden. Die Charakterisierung der Batterieeigenschaften erfolgt
mittels Strom-Spannungsmessungen unter Variation der Lade- bzw.
Entladestromdichten und Impedanzspektroskopie. Aus der Korrelation der
Batteriekenngrößen mit den strukturellen und spektroskopischen
Untersuchungen sollen eindeutige Korrelationen zur Nanostruktur der
Kompositsysteme abgeleitet und daraus Kriterien für die Optimierung der
Präparation und Wahl vielversprechender Materialkombinationen für
Batterien entwickelt werden.