Thermodynamik neuer LIB-Elektrodenmaterialien

The present proposal concerns basic research for the development of new anode and cathode materials for Lithium Ion Batteries within the framework of SPP 1473 "WeNDeLIB". The goal is the generation of valuable and concise experimental thermodynamic and phase equilibria data as a basis for the modelling of material systems relevant for electrode materials in lithium ion batteries. A starting point will be a comprehensive compilation of literature data and a check of the experimental. The systems under investigation will be the ternary systems (Co,Cu,Ni)-Li-Sn as feasible anode materials and LiTEO2 (TE = Co, Mn, Ni) as cathode materials. This includes at one hand the experimental evaluation of phase relations by means of XRD, thermal analysis and metallography. At the other hand thermochemical investigations like i) calorimetric measurement of the enthalpy of formation and enthalpy of mixing in solid and liquid systems, ii) KEMS and isopiestic vapor pressure measurements concerning mainly the Li-activities in the respective ternary systems, iii) EMF measurements of the partial Gibbs energy of lithium in the respective ternary systems.

Effiziente Energiespeichermedien für Elektromobilität und erneuerbare Energien, z.B. Solar- oder Windenergie stellen besondere Anforderungen dar. Elektrochemische Energiespeicher, also im Wesentlichen Akkumulatoren und Brennstoffzellen bieten sich als Lösung an. Besonders in der Elektromobilität kommt es darauf an viel Energie für akzeptable Reichweiten mitzuführen. Gleichzeitig müssen die Akkumulatoren aber auch möglichst klein und leicht sein. Li-Ionenbatterien wie wir sie in vielen elektronischen Geräten, z.B. Mobiltelefone, Notebooks, etc. verwenden, sind leicht, kompakt und relativ klein. Ein großer Nachteil der Li-Ionenbatterien ist jedoch, dass für die oben erwähnten Anwendungen nicht genug Energie gespeichert werden kann. Um dies wesentlich zu verbessern reicht eine Optimierung der Bauweise auf Basis der bisher verwendeten Materialien nicht aus. Neue Materialien für Elektroden und Elektrolyt müssen gefunden werden. Insbesondere die Anode aus Graphit bei handelsüblichen Li-Ionenbatterien stellt was die Speicherkapazität betrifft einen limitierenden Faktor dar. Diese durch metallische Anoden zu ersetzen ist ein möglicher Weg der Thema dieses Projekts war. Moderne Entwicklungsmethoden beruhen auf der systematischen, computergestützten Beschreibung von Materialsystemen mit Hilfe experimenteller Daten. Diese liefert die Grundlagenforschung an solchen Materialsystemen. Mischungsverhalten, innerer Aufbau, und Strukturen sowie thermochemische und physikalische Eigenschaften müssen untersucht werden. Dieses Projekt beschäftigte sich mit der Erforschung so genannter intermetallischer Systeme, also Werkstoffen die aus mehreren Reinmetallen bestehen. Naturgemäß muss insbesondere das Mischungsverhalten der in Frage kommenden Metalle mit Lithium betrachtet werden. Deshalb beschäftigten wir uns mit den Werkstoffsystemen Li-Sn, Cu-Li und Cu-Li-Sn. Die Literatur bietet hier nur sehr lückenhafte und z.T. widersprüchliche Daten. Es wurden daher zahlreiche Messmethoden wie z.B. Röntgenstrukturanalyse, thermische Analyse, Metallografie und Kalorimetrie angewandt. In enger Kooperation mit Partnern aus renommierten deutschen Forschungsbetrieben, hauptsächlich KIT-Karlsruhe und FZ-Jülich, konnten diese Systeme weitgehend charakterisiert und berechnet werden. Dies bildet eine wertvolle Basis für die technologische Forschung. Unser Projekt war in das DFG Schwerpunktprogramm WeNDeLIB, "Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien" eingebettet.