Bestimmung thermodynamischer Eigenschaften an neuen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

  • Determination of thermodynamic properties for new Electrode Materials for Lithium-Ion-Batteries

Correia Henriques, David Manuel; Markus, Torsten (Thesis advisor); Singheiser, Lorenz (Thesis advisor); Zander, Britta Daniela (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Lithium-Ionen-Batterien eignen sehr gut, um effizient elektrische Energie zu speichern. Es ist jedoch wichtig Lithium-Ionen-Batterien nach ihrem jeweiligen Anwendungsgebiet zu entwickeln. Um alle Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien zu erfüllen, muss systematisch nach neuen Kathoden-, Anoden-, Elektrolyt- und Separatoren-Materialien geforscht werden um das Verständnis zu verbessern für die Thermodynamik, Kinetik und Kristallchemie. Insbesondere gilt dies für die Mikro- und Nanostrukturen von neuen Materialien. Durch die hohe Anzahl an möglichen Komponenten für Lithium-Systeme sind fundierte thermodynamische Daten und Informationen über Gleichgewichtsbedingungen notwendig um ein konsistentes experimentell bestimmtes Phasendiagramm für die jeweiligen Systeme zu bestimmen. Phasendiagramme können über die CALPHAD-Methode (CALculation of PHAse Diagrams) berechnet werden. Die Datenlage sollte jedoch für Systeme mit Lithium ausgebaut werden. Thermodynamische Daten, die in Phasendiagrammen enthalten sind, stehen im direkten Zusammenhang mit der Zellspannung oder Kapazität von Batterien.In dieser Arbeit werden thermodynamische Aktivitäten, Gibbsenergien und Mischungsenthalpien und -entropien bestimmt für neue Elektrodenmaterialien mit der Methode der Knudsen-Effusionsmassenspektrometrie (KEMS). Mit der Methode der KEMS ist es möglich qualitativ und quantitativ eine Gleichgewichtsgasphase zu analysieren. Die Gasspezies über der Probe wird analysiert. Dabei wird die Intensität der Ionen über einen Sekundärelektronenvervielfacher gemessen. Über die Temperaturabhängigkeit der gemessenen Intensitäten können der Partialdruck und die thermodynamische Aktivität der Gasspezies bestimmt werden. Die KEMS muss jedoch dafür akkurat für Lithium enthaltene Systeme modifiziert werden.Intermetallische Phasen im Li-Sn System sind bekannt als mögliches Anodenmaterial. Es kann eine theoretische Kapazität bis zu 991 mAh/g erreicht werden. Dies bedeutet eine fast dreimal höhere Kapazität als das Kohlenstoffbasierende Anodenmaterial LiC6. Dieses wird heutzutage meistens in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Die intermetallischen Phasen durchlaufen jedoch beim Ein und Ausbau von Lithium mehrere Phasenumwandlungen. Dadurch kommt es zu einer Volumenausdehnung in der Elektrode, das zu Spannungen führt. Es ist möglich diese Volumenausdehnung mit Kupfer zu minimieren. Jedoch ist die Kenntnis über das Cu-Li-Sn Phasendiagramm und deren Thermodynamik gering und wird durch diese Arbeit erweitert.Diese Arbeit wurde finanziert über die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Schwerpunktprogramm SPP 1473 WEnDeLIB (Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien)

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Korrosion und Korrosionsschutz [522710]
  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

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