NCM-Dünnschichten als Modellkathoden

Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage aus vielen Bereichen des alltäglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. Insbesondere für den Ausbau der Elektromobilität ist es allerdings notwendig, die Energiedichte und die Lebenszeit von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu erhöhen.
Li(Ni_1-x-yCo_xMn_y)O₂-Verbindungen (NCM) stellen aufgrund ihrer höheren Energiedichte ein alternatives Kathodenmaterial zu LiCoO₂ dar. Allerdings treten bei NCM-basierte Kathoden unter anderem verstärkt Degradationseffekte in Kontakt mit dem Flüssigelektrolyten auf, was in der Bildung einer isolierenden Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche führt und die Zyklenstabilität der Kathodenmaterialien reduziert. Ein Ansatz, die ungewollten Degradation der Kathodenoberfläche zu unterdrücken, ist die Beschichtung mit einer dünnen, inerten Schutzschicht, was die Oberfläche der Kathoden stabilisiert und oftmals zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Batterien führt. Die Wirkungsweise der Schutzschichten ist allerdings nicht ausreichend verstanden. Insbesondere die Untersuchung der stattfinden Grenzflächenreaktionen mit oberflächensensitiven Methoden wird durch die hohe Rauigkeit der Kathodenoberfläche erschwert. In der AG Elm werden daher Dünnschichtkathoden als Modellsystem hergestellt, um Degradationseffekte an der Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche sowie die Wirkungsweise der Beschichtungen besser untersuchen zu können. Untersuchungen mittels Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS), atomarer Kraftmikroskopie (AFM) oder Raman-Spektroskopie liefern hierbei Hinweise auf die stattfindenden Reaktion und erlaubt so Strategien für eine Optimierung der Schutzschichten zu entwickeln.  

Publikationen:

- H. Hemmelmann, R. Ruess, P. Klement, J. Schörmann, S. Chatterjee, J. Sann, M.T. Elm*, “Correlation between Surface Reactions and Electrochemical Performance of Al₂O₃- and CeO₂-Coated NCM Thin Film Cathodes“ ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 2202268 (2023)

- J. Lüchtefeld, H. Hemmelmann, S. Wachs, K. J. Mayrhofer, M.T. Elm, B. B. Berkes*, “Effect of Water Contamination on the Transition Metal Dissolution in Water-enriched Electrolyte: A Mechanistic Insight into a New Type of Dissolution“ J. Phys. Chem. C 126, 17204 (2022)

- H. Hemmelmann, J. Dinter, M.T. Elm*, “Thin Film NCM Cathodes as Model Systems to Assess the Influence of Coating Layers on the Electrochemical Performance of Lithium Ion Batteries”, Adv. Mater. Interface 8, 2002074 (2021)