Aluminiumoxid-Beschichtungen von Li-reichen NCM-Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien zur Erhöhung der Kapazitätsstabilität
Creators: name: Dannehl, Nadine
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: battery
coating
surface analysis
ToF-SIMS
electrochemistry

description: Li-reiches Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (Li-reiches NCM) wird als Kathodenmaterial in Lithium-
Ionen Batterien verwendet. Aluminiumoxid-Beschichtungen auf den Kathodenpartikeln
werden genutzt, um die Kapazitätsstabilität zu verbessern. Um die zugrunde liegenden Mechanismen
besser zu verstehen, muss der Bedeckungsgrad der Partikelbeschichtungen auf
verschiedenen Längenskalen von Mikrometer bis Nanometer bestimmt und mit den elektrochemischen
Eigenschaften verknüpft werden.
In dieser Arbeit werden Aluminiumoxid-Beschichtungen, die durch Atomschichtabscheidung
(ALD) oder durch chemische Lösungsabscheidung auf Li-reichem NCM aufgebracht werden,
untersucht. Der Bedeckungsgrad und die Morphologie der Partikelbeschichtungen werden
mittels Flugzeitsekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS), Rasterelektronenmikroskopie
(REM), Elementaranalyse mittels induktiv gekoppelter Plasma-Emissionsspektrometrie
(ICP-OES) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Mit ToF-SIMS
kann die Bedeckung einer Beschichtung auf Längenskalen im mm-Bereich mit hoher lateraler
Auflösung und einer Oberflächenempfindlichkeit von wenigen Nanometern analysiert werden.
Unabhängig von der gewählten Beschichtungsroute zeigen die Analysen dieser Arbeit, dass
die Pulverpartikel nicht von einem vollständig geschlossenen und homogenen Aluminiumoxidfilm
bedeckt sind. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, dass eine Beschichtung nicht
notwendig ist, um die Kapazität zu stabilisieren. Der Beschichtungsprozess selbst (ohne
Verwendung von Aluminium-Vorläuferverbindungen) bewirkt die Erhöhung der Kapazitätsstabilität
und der Ausgangskapazität. TEM-Untersuchungen und die Analyse der elektrochemischen
Tests mittels dQ/dV-Diagrammen deuten darauf hin, dass der Beschichtungsprozess
die Oberflächenregion des Li-reichen NCM modifiziert und in den äußersten Oberflächenschichten
Veränderungen des Kristallgitters mit spinellähnlichem Charakter auftreten.
Zudem wird eine Verringerung des Grenzflächenwiderstandes der Kathoden-Elektrolyt-
Grenzfläche für die nasschemisch behandelten Proben nachgewiesen. Als Post-Mortem-Untersuchung
wurden Vollzellen mit Graphit-Anode und Kathoden, die aus unterschiedlichen
Probenmaterialien hergestellt wurden, nach dem Zyklieren auseinandergebaut, die Anoden
mittels ICP-OES analysiert und die Kathoden erneut gegen frische Lithium-Anoden verbaut.
Anoden, die zuvor gegen Kathoden des nasschemisch beschichteten Materials oder eine
ALD-Beschichtung zykliert wurden, zeigten einen niedrigeren Wert der Übergangsmetallund
Lithiumgehalte auf der Anode im Vergleich zur unbeschichteten Referenz. Zudem verringerte
das nasschemische Verfahren den Karbonatgehalt der Oberfläche im Vergleich zum
unbeschichteten Material. Der geringere Übergangsmetallverlust verringert die Häufigkeit
und Stärke irreversibler oxidativer Nebenreaktionen, die zur Bildung einer Deckschicht zwischen
Anode und Elektrolyt führen. Da ein großer Teil des zyklierbaren Lithiums in diesen
Oberflächenschichten gebunden ist, nimmt die Kapazität der Vollzellen schnell ab.