Study on lithium ion migration in the composite solid electrolyte for lithium metal batteries
Creators: name: Tian, Guiying
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2019
Subjects: composite solid electrolyte
lithium metal batteries
ring-opening polymerization
ionic conductivity
garnet oxide

description: In jüngster Vergangenheit ist die Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen enorm angestiegen. Grund dafür ist zum einen der Mangel an fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdöl, zum anderen der voranschreitende Klimawandel, der Großteils durch die Verbrennung dieser fossilen Brennstoffe und durch die einhergehende Umweltverschmutzung verursacht wird. Folglich wird vermehrt im mobilen Anwendungsbereich, beispielsweise bei Elektrogeräten und -fahrzeugen, auf Nachhaltigkeit gesetzt. Es wird von den dort verwendeten Sekundärbatterien erwartet, dass sie nicht nur kostengünstig sind, sondern auch hervorragende elektrochemische Eigenschaften aufweisen, wie eine hohe Energie bzw. Leistungsdichte und eine lange Zyklenstabilität. Aktuelle Forschungen an Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Batterien weisen zwar eine herausragende spezifische Kapazität auf, diese sind allerdings noch nicht auf dem Entwicklungsstand für die großtechnische Produktion im industriellen Maßstab angelangt. „State of the art“ sind momentan Lithium-Ionen und Metall-Batterien, die womöglich noch die nächsten Jahrzehnte am häufigsten zum Einsatz kommen werden. Gegenwärtig weisen kommerzielle Lithiumionenbatterien, die flüssige Elektrolyte beinhalten (z. B. LP30: 1 M LiPF6, gelöst in EC/DMC 1:1 Volumenanteil), eine hohe Ionenleitfähigkeit (~10 mS cm-1) bei Raumtemperatur und eine mäßige Kapazität (150 Ah kg-1 oder 250Wh kg-1) auf. Dieser Kapazitätsbereich kann beispielsweise kaum die Anforderungen langer Reichweiten bei Elektrofahrzeugen erfüllen. Zudem kann eine starke Beschädigung, die etwa durch einen Autounfall verursacht wird, oder aufgrund einer Überladung der Batterie, zu exothermen Reaktionen führen und dadurch einen Kurzschluss verursachen. Dies kann im schlimmsten Fall zu schwerwiegende Explosion führen. Zudem sind die Fortschritte in diesem Gebiet wegen der Toxizität des Elektrolyts und der Gefahr, die durch das Auslaufen des Elektrolyts besteht, stark limitiert. Angesichts dieser Sicherheitsbedenken bei Batterien auf der Basis von Flüssigelektrolyten nimmt das Interesse an allen Festkörperbatterien rasch zu. Aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit des Feststoffelektrolyts kann die Dendritenpenetration reduziert werden. Dadurch kann metallisches Lithium für die Anode verwendet werden, was für Festkörperbatterien mit hohen Kapazitäten von großer Bedeutung ist. Der ideale Festelektrolyt soll eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine hohe elektrochemische und chemische Stabilität, sowie ein breites elektrochemisches Fenster aufweisen. Gemäß ihren Hauptbestandteilen (Schwefel, Sauerstoff und Kohlenstoff) werden Feststoffelektrolyte in drei Kategorien unterteilt: Sulfid-, Oxid- und Polymer-Typ. Obwohl die toxischen Sulfid-Feststoffelektrolyten hohe Ionenleitfähigkeiten zeigen, reagieren diese leicht mit den Elektroden und sind nicht feuchtigkeitsbeständig. Dadurch degradieren Elektroden und Elektrolyt leicht, wodurch hochohmsche Zwischenphasen gebildet werden. Im Gegensatz dazu zeigen oxidische und polymere Feststoffelektrolyte eine bemerkenswerte elektrochemische Stabilität gegenüber Elektroden und weisen chemische Stabilität an Luft auf. Deshalb sollte sich die Batterieforschung hauptsächlich auf Oxid-Feststoffelektrolyten und Polymer-Feststoffelektrolyten mit hoher ionischer Leitfähigkeit und kompatiblen Elektrolyt-Elektroden-Zwischenphase konzentrieren. Dementsprechend fokussiert sich diese Arbeit auf Lithium-Metall-Batterien mit Feststoffelektrolyten und Lithium-Anoden. Das Ziel ist es dabei, nicht nur die geeignete Zusammensetzung zwischen Elektrode und Elektrolyt zu untersuchen, sondern auch ein Montageverfahren für sichere Batterien zu entwickeln. Diese Thesis wird dabei in drei Abschnitte untergliedert: Der erste Teil behandelt Granatoxid/Polyethylenoxid-Verbundfeststoffelektrolyt. Der nächste befasst sich mit vernetztem Polymer/Granatoxid-Verbundfeststoffelektrolyt mit integriertem Li+ Salz und der dritte mit einem Eisen-stabilisierten Granat/Polymer-Hybrid-Feststoffelektrolyt. Angesichts hoher Ionenleitfähigkeit, moderater Belastungsfähigkeit und hoher Zyklenstabilität zeigen diese Feststoffelektrolyte ein hohes Entwicklungspotential für praktische Anwendungen mit einer verbesserten Sicherheit gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien.