Leitfähigkeitsvariation in kristallinen Li-Ionenleitern für Feststoffbatterien

Abstract

Mit dem steigenden Energiebedarf der modernen Gesellschaft steigt auch der Bedarf an immer leistungsfähigeren Batterien und Akkumulatoren. Dieser Bedarf wird insbesondere durch den vermehrten Einsatz von mobilen elektronischen Geräten und den zunehmenden Marktanteil von Elektro- und Hybrid-Autos verstärkt. Aufgrund dessen sind Forscher wie auch Industrie ständig auf der Suche nach Möglichkeiten um die Energiedichte von Li-Ionen Batterien, welche die am häufigsten gebrauchte Akkumulatoren Art für mobile Geräte und elektrische Fahrzeuge ist, zu erhöhen. Einer der limitierenden Faktoren dieser Li-Ionen Batterien ist der bisher verwendete organische Elektrolyt, der zwischen den Elektroden eingebracht wird. Um die damit verbundenen Stabilitätsprobleme und auch Sicherheitsrisiken zu beseitigen, und zeitgleich auch die Energiedichte zu erhöhen, beschäftigt sich die Forschung gegenwärtig vor allem mit der Suche nach Alternativen zu diesem organischen Elektrolyten. Obwohl es einige in Frage kommende Feststoffmaterialien gibt, liegt der Fokus der Forschung auf dem vielversprechendsten Material - dem kubischen Li7La3Zr2O12 (LLZO). Bei dieser Li-Verbindung, die in der Granatstruktur kristallisiert, handelt es sich um ein Material welches eine der höchsten Li-Ionen Leitfähigkeiten von Feststoffen aufweist und zugleich über hohe chemische und elektrochemische Stabilität verfügt. Um existierende Präparationsroutinen zu optimieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Li-Ionenleitfähigkeit von Proben, die bei unterschiedlichen Temperaturen gesintert wurden, mithilfe von Elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht. Spezielles Augenmerk wurde dabei auf die Untersuchung auftretender Inhomogenitäten innerhalb der Probe gelegt. Eine Reduktion des Probenvolumens durch wiederholtes mechanisches Schleifen, gefolgt von elektrochemischer Charakterisierung konnte zeigen, dass Inhomogenitäten im Inneren der Probe vorliegen und diese entscheidenden Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit des Materials haben.

According to the increasing energy demand of modern society, the demand of more efficient batteries is increasing too. That issue is especially boosted by the heightened use of mobile, electronic devices and the growing market share of electric vehicles and hybrid cars. That's why scientists as well as industry are on a steady search for possibilities to rise the energy density of Li-ion batteries, which is the most commonly used type of batteries for portable devices and electric vehicles. One of the limiting factors of the Li-ion battery is the so far used organic electrolyte, which is placed between the electrodes. To overcome problems like stability and safety issues and to simultaneously increase the energy density, research focuses on replacing the organic electrolyte by solid-state materials. Although there are several options, one of the most promising material for building solid-state electrolytes is the cubic Li7La3Zr2O12 garnet - called LLZO. It is a Li-oxide garnet which features one of the highest Li-ion conductivities in solids, while having a high chemical and electrochemical stability. To improve existing preparation routes, within the scope of this thesis, different sintering procedures were employed and the Li-ion conductivity was investigated by the use of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Special emphasis was put on analyzing possible inhomogeneities within the sample by mechanically removing sample parts followed by again measuring the effective conductivities. Among others, these experiments showed that inhomogeneities in the center of the sample are present and have crucial impact on the overall conductivity.