Synthese und Konditionierung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien

Transkript

1 Synthese und Konditionierung von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien J. R. Binder, S. J. Glatthaar, M. Schön, M. Schroeder, H. Geßwein INSTITUT FÜR MATERIALFORSCHNUNG III KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft F&E-Aktivitäten am IMF III / Keramik von der Materialsynthese bis zur Fertigung von Pouchzellen Arbeitsgruppe Material Arbeitsgruppe Formgebung Komposite & Partikelcoating Materialsynthese Pulverkonditionierung Pastenentwicklung Elektrodenbeschichtung Pouchzellenfertigung Bauteil

2 Aktuelle Themen der AG Material Synthese von Kathodenmaterialien Olivine Spinelle (Oxyfluoride, 5V-Spinelle) Neue Materialsysteme Pulverkonditionierung Einfluss der Partikelmorphologie Herstellung von porösen Pulvern Synthese von Nanokompositen Oberflächenmodifizierung (Coating) Charakterisierung Chemie, Struktur, Morphologie Keramiktechnikum IMF III Elektrochemische Charakterisierung In-situ Methoden (XRD, Raman-Spektroskopie) Materialsynthese

3 Synthese von 5V-Spinellen Lithiumacetat Manganacetat Metallacetat Lösung // Sol Sol metallorganischer Precursor Dotierungen DMe(CH 3 COO) x DMe(NO 3 ) x CF 3 COOH Keramisches Pulver (LiMe (LiMe 0,5-x Mn 0,5-x Mn 1,5-y DMe 1,5-y DMe x+y O x+y 4-z F 4-z z ) z ) Temperatureinfluss auf Mn 1,5 O 4 T T 1, 6h 5K/min 5K/min t

4 Morphologie von Mn 1,5 O 4 C/ Einfluss der thermischen Prozessführung Einstufige vs. Zweistufige thermische Zersetzung von Mn 1,5 O 4 einstufig C zweistufig / 800 C

5 Dotierung Mn 1,5-x Al x O 4-x F x 7 % Li x Ni 1-x O 2 als Fremdphase Fluorgehalt x = 0,0 x = 0,1 x = 0,2 x = 0,3 x = 0,5 Chemische Analyse: ICP-OES Li 1,01 Ni 0,49 Mn 1,50 O 4 Li 0,99 Ni 0,49 Mn 1,41 Al 0,10 O 4-x F x Li 0,99 Ni 0,50 Mn 1,32 Al 0,19 O 4-x F x Li 1,01 Ni 0,49 Mn 1,21 Al 0,29 O 4-x F x Li 1,01 Ni 0,50 Mn 1,01 Al 0,49 O 4-x F x X= Morphologie von Mn 1,5-x Al x O 4-x F x Mn 1,5 O 4 Al 0,1 Mn 1,4 O 3,9 F 0,1 Al 0,2 Mn 1,3 O 3,8 F 0,2 Al 0,3 Mn 1,2 O 3,7 F 0,3 Al 0,5 Mn 1,0 O 3,5 F 0,

6 Elektrochemische Eigenschaften von Mn 1,5-x Al x O 4-x F x Al,F-Dotierung stabilisiert Mn Pulverkonditionierung

7 Konditionierung kommerzieller Pulver Verwendete Pulver: LiMn 1,95 Al 0,05 O 4 LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 Konditionierung 10 µm Konditioniertes LiMn 1,95 Al 0,05 O 4 spez. Kapazität / mah/g Nach Konditionierung Original C/ Zyklen /

8 Konditioniertes LiMn 1,95 Al 0,05 O 4 Nach Konditionierung Original Komposite & Partikelcoating

9 Keramische Beschichtung der Primärteilchen 200 nm 10 µm Zusammenfassung Die Aktivitäten der Abteilung Keramik des IMF III im Bereich LIB erstreckt sich von der Materialsynthese bis zur Zellfertigung Die Synthese verschiedener Kathodenmaterialien über nasschemische Methoden wurden bereits durchgeführt Der Schwerpunkt liegt derzeit bei den 5V-Spinellen Die thermische Prozessführung und Dotierungen haben eine zum Teil erheblichen Einfluss auf die Materialien und somit auf die Performance der Zellen Erste Versuche zum Partikelcoating sind vielversprechend Wir sind an Kooperationen immer interessiert