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Teilprojekt A1

Einfluss der Grenzfläche bei elektrochromen Schichten

Am Teilprojekt sind folgende Arbeitsgruppen beteiligt:

AG Adelhelm
Physikalisch-Chemisches Institut
Synthese und Charakterisierung von selbstaggregierten Nanomaterialien
AG Janek Physikalisch-Chemisches Institut Physikalische Chemie von Festkörpern und Elektrochemie fester Stoffe
AG Klar 1. Physikalisches Institut Mikro- und Nanostrukturphysik
AG Meyer 1. Physikalisches Institut Halbleiterphysik
AG Polity 1. Physikalisches Institut Plasmadeposition

Die Ziele dieses Projektbereichs liegen im Verständnis von Grenzflächen für die Kinetik der Ladungsspeicherung in Feststoffbatterien. Als Modellsysteme stehen einerseits typische oxidische Speicherphasen mit Lithium-Insertion wie z. B. LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO, als Kathodenmaterial im Hochvoltbereich) und Li4Ti5O12 (LTO, als Anodenmaterial) im Mittelpunkt. Als ungewöhnliches Kathodenmaterial sollte das Konversion-Redoxsystem S8/Li2S untersucht werden.


Festkörperbatterien erfahren derzeit international rasch wachsendes technologisches Interesse. Der Stand der Forschung macht jedoch schnell klar, dass es grundsätzliche Probleme gibt, die einer schnellen praktischen Nutzung im Wege stehen. Hier stehen einerseits Probleme des Ladungstransports über Phasengrenzen hinweg, aber auch Fragen der Stabilität von Phasengrenzen zwischen Festelektrolyt und Elektrodenmaterial im Mittelpunkt. Mit den im Projektbereich A1 vorgesehenen Arbeiten hat STORE-E hier zu einem frühen Zeitpunkt reagiert und konnte sich damit hervorragend positionieren. Ein Schlüsselthema ist die Stabilität und Kinetik von Lithiummetallanoden. Lithium ist ein äußerst starkes Reduktionsmittel, und praktisch alle wichtigen Festelektrolyte enthalten Elemente, die im Kontakt mit Lithium reduziert werden. Aus diesem Grund wurde das vermeintlich stabile „LiPON“ gemeinsam mit Projektbereich A2 als ein Basismaterial für Feststoffzellen ausgewählt. Wie nachfolgend ausführlicher dargestellt, wird aber auch „LiPON“ reduktiv zersetzt, was überraschend zu einer neuen Grenzflächenphase mit hoher Leitfähigkeit führt.


Die Kathode, die in der Lithiumionenbatterie in der Regel die Energie- und Leistungsdichte limitiert, spielt auch in Feststoffbatterien eine kritische Rolle. Offenbar kann es insbesondere bei hohen Elektrodenpotentialen zum Aufbau von gleichrichtenden Kontakten mit dem Festelektrolyten kommen. Die hier erstmal von Fa. Toyota Motors berichteten Ergebnisse werden in der Literatur kontrovers diskutiert, und die zugrundeliegenden Grenzflächeneffekte rücken im Projektbereich A1 derzeit in den Mittelpunkt.