Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Auf der Anodenseite von Lithium Sekund\u00e4rbatterien wird gegenw\u00e4rtig fast ausschlie\u00dflich Kohlenstoff als Elektrodenmaterial verwendet. Kohlenstoff unterliegt im Umfeld des Elektrolyten und besonders der fluoridhaltigen Leitsalze deutlichen Alterungsmechanismen, die zu f\u00fcr viele Anwendungen zu geringen Lebensdauern der Batteriezellen f\u00fchren. Gegenw\u00e4rtig l\u00e4sst sich dieses Problem nur l\u00f6sen, indem man Li4Ti5O12 (LTO) als Elektrodenmaterial verwendet. Hierdurch lassen sich deutlich langzeitstabilere Sekund\u00e4rbatterien herstellen, nachteilig ist aber die deutlich geringere Speicherdichte dieser Systeme.
\nDurch die Verwendung von Silizium als Elektrodenmaterial konnten h\u00f6here Speicherdichten erzielt werden, wobei diese Systeme bedingt durch die gro\u00dfen Volumen\u00e4nderungen des Anodenmaterials beim Laden und Entladen nicht langzeitstabil sind.
\nZielsetzung war die anodische Speicherdichte von LTO-Zellen durch neue Verbindungsklassen deutlich zu erh\u00f6hen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurde eine Kombinationsmatrix angelegt, in der die Stoffauswahl mehrere Kriterien zu erf\u00fcllen hat:<\/p>\n
–\tBevorzugt oxidische Systeme mit stabilem Spannungsfenster
\n–\tDotierung sowohl auf den regul\u00e4ren Kationen- und Anionengitterpl\u00e4tzen, mit dem Ziel die ionische Leitf\u00e4higkeit zu erh\u00f6hen
\n–\tHerstellung von heterogenen und homogenen Mischphasen mit Silizium <\/p>\n
Zur Herstellung der der Pulver wurden festk\u00f6rperchemische Verfahren eingesetzt, wobei zur Reaktionskontrolle DSC\/TG-Messungen durchgef\u00fchrt wurden.
\nDie Pulver wurden mittels REM, SNMS, IR-Spektroskopie und XRD untersucht.
\nMit den hergestellten Pulvern wurden Kapazit\u00e4ts- und Zyklentests in Laborzellen durchgef\u00fchrt. Hierbei wurden die Zellen zun\u00e4chst formiert und dann mit Lade-\/Entladeraten von i=C\/2 bis 1C zyklisiert.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im gesamten Entwicklungszeitraum wurden mehr als 140 unterschiedliche Stoffpr\u00e4parationen durchgef\u00fchrt und f\u00fcr die engere Auswahl untersucht. Hierbei wurden die Systeme Ti-Si-O, Ti-Si-C und Ti-Si-C-N eingestellt. <\/p>\n
Das zur chemischen Analyse der Pulver eingesetzte SNMS-Verfahren wurde besonders mit Blick auf die Erfassung von Reaktionsprodukten aus dem Elektrolyten mit Wasser, Lithiumsalzen u. a. m. eingestellt. Es ist hiermit erstmalig gelungen das Alterungsverhalten der Elektroden im Tiefenprofil pr\u00e4zise aufzul\u00f6sen. Diese Ergebnisse sind f\u00fcr die Entwicklung zur Anode mit hoher Speicherdichte von gro\u00dfer Bedeutung, da hiermit ein Mittel zur Verf\u00fcgung steht, den Lade- und Entlade-Mechanismus, sowie das gesamte Reaktionsverhalten w\u00e4hrend des Betriebes zu verstehen. <\/p>\n
Grundlage der Entwicklung ist besonders die Synthese titanatreicher Silicide und der entsprechenden Titan-Kohlenstoffsysteme. Mit dem Konzept wird das Ziel verfolgt, das Silicium zur Sicherung der Langzeitstabilit\u00e4t zu nutzen. Grunds\u00e4tzlich wurden mit der Synthese heterogene feste L\u00f6sungen aus Siliciden und Oxiden, sowie deren Zwischenphasen eingestellt. Die Ausbildung der einzelnen Phasen h\u00e4ngt insbesondere von dem Synthese-Temperaturprogramm und der Vorbehandlung ab. <\/p>\n
Die gemessenen Kapazit\u00e4ten liegen je nach Mischungseinstellung und Synthesebedingungen zwischen 90 mAh\/g und 1018 mAh\/g. Durch die neu hergestellten Stoffklassen kann die spezifische Energiedichte im Vergleich zu LTO mehr als versechsfacht werden. <\/p>\n
Es konnte hierbei gezeigt werden, dass offensichtlich elektrochemisch nicht wirksame Komponenten das Silizium stabilisieren und somit zu h\u00f6heren Leistungsdichten beitragen k\u00f6nnen.<\/p>\n
Das als Grundlage und Ausgangssubstanz f\u00fcr die Untersuchungen dienende Li4Ti5O12 wurde durch unterschiedliche Verfahren behandelt und modifiziert. Hierbei ist es erstmalig gelungen eine einzigartige LTO-Variante herzustellen, mit der es m\u00f6glich ist gasungsfreie LTO-Zellen aufzubauen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Batterietechnologie und damit hergestellte Energiespeichersysteme wurden unter anderem auf der Hannovermesse ausgestellt.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des gef\u00f6rderten Projektes wurde \u00fcber ein Probenscreening-Programm ein Weg zu neuen Verbindungsklassen unter Einbindung von Silizium aufgezeigt. Es konnte ermittelt werden, wie durch die Mischung quasitern\u00e4rer Systeme neue Stoffklassen herstellbar sind, deren spezifischen Energiedichten f\u00fcr eine sekund\u00e4re Batterie im Vergleich zu Li4Ti5O12 mehr als versechsfacht werden kann.<\/p>\n
Es wurden mit allen Systemen sehr vielversprechende Ergebnisse mit spezifischen Kapazit\u00e4ten bis \u00fcber 1000 mAh\/g gefunden. Erste Stabilit\u00e4tsuntersuchungen mit den Laborzellen zeigen, dass die Verbindungen bis 100 Zyklen vergleichsweise stabil sind.<\/p>\n
Als weiteres Ergebnis des F\u00f6rderprojektes konnte ein gasungsfreies und hochstabiles LTO synthetisiert werden. Die guten Ergebnisse wurden durch unabh\u00e4ngige Messungen beim ISIT-Fraunhofer Institut best\u00e4tigt. Diese Eigenschaften sind weltweit einzigartig und werden einen gro\u00dfen Einfluss auf die langzeit-stabile Energiespeicherung haben.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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