Polymer-Keramik Hybridelektrolyte für Lithiumionen-Festkörperbatterien

  • Polymer-ceramic hybrid electrolytes for all-solid-state lithium-ion batteries

Wirtz, Maike; Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Hybridelektrolyte sind Elektrolyte für Lithiumionenbatterien (LIB) mit Lithiumanode, welche den Bedarf an Sicherheit, Leistung und Verarbeitungsfähigkeit vereinen sollen. Definiert sind Hybridelektrolyte als Komposite, welche zwei oder mehrere ionisch leitende Materialien kombinieren. In dieser Arbeit wurden ein organischer Polymerelektrolyt Polyethylenoxid mit Lithium-bis(trifluoromethansulfon)imid (PEO mit LiTFSI) und ein anorganischer Festkörperelektrolyt Li7-xLa3Zr2-xTaxO12 (Ta-LLZO) verwendet. Die Synthese der kubischen Phase von Ta-LLZO, welche im Vergleich zur tetragonalen Phase eine höhere ionische Leitfähigkeit aufweist, erfolgte anhand einer klassischen Festkörperroute. Für die Anwendung des Ta-LLZO in Hybridelektrolyten wurde das Pulver nach dem Kalzinieren aufgemahlen, wodurch die mittlere Partikelgröße verringert wurde. Die Zusammensetzung des Hybridelektrolyten wurde im Hinblick auf die ionische Leitfähigkeit optimiert. Einflussparameter wie die Ta-LLZO Partikelbeschaffenheit, die LiTFSI Salzkonzentration, der Ta-LLZO Gewichtsanteil und die Substitution mit Biopolymeren wurden untersucht. Bei einem Gewichtsanteil von 20 Gew.-% Ta-LLZO in einer PEO6LiTFSI Polymermatrix konnte die ionische Leitfähigkeit im Vergleich zum reinen Polymerelektrolyten PEO12LiTFSI übertroffen werden. Die Substitution von PEO durch Biopolymere, wie Chitosanmesylat oder Celluloseacetat, war ein Ansatz umweltfreundlichere Materialien in LIB einzusetzen und führte zu einer Abnahme der ionischen Leitfähigkeit. Die Anwendbarkeit der Hybridelektrolyte konnte in Li-LiFePO4 (Li-LFP) Zellen bestätigt werden. LFP Kathodenschichten wurden an die Anforderungen des Hybridelektrolyten angepasst, indem PEO6LiTFSI als Binder und Lithiumionenleiter eingesetzt wurde. Im Vergleich zum Polymerelektrolyten wurde eine Zunahme der elektrochemischen Stabilität des Hybridelektrolyten beobachtet. Die Substitution von PEO durch Celluloseacetat erzielte eine weitere Steigerung der elektrochemischen Stabilität. Die Grenzschicht an der Polymer-Keramik Grenzfläche wurde auf mikroskopischer Ebene mittels Infrarot Spektroskopie und elektrochemischer Deformationsmikroskopie (ESM) charakterisiert. Dies zeigte, dass Wechselwirkungen zwischen Polymer und Keramik zu einer Erhöhung des mobilen Ladungsträgeranteils führen. Darüber hinaus visualisierten ESM Messungen die mögliche Ausbildung einer Grenzschicht in der Polymerphase nahe der Grenzfläche zur Keramik. Dies unterstützt die Annahme, dass Grenzschichtperkolationspfade einen maßgeblichen Einfluss auf die ionische Leitfähigkeit von Hybridelektrolyten auf makroskopischer Ebene haben.

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