Beschichtung von Kathodenpulver zur Erhöhung der Lebensdauer von Li-Ionen Akkumulatoren

Abstract

Die Weiterentwicklung der Li-Ionen Batterietechnologie ist für die Zukunft der E-Mobilität von grösster Bedeutung, weshalb weltweit verschiedenste Ansätze zur Verbesserung verfolgt werden. Die Oberächenbeschichtung vom pulverförmigen Kathodenmaterial NMC-811 ist ein solcher Ansatz, welcher insbesondere die Zyklenstabilität durch verbesserte thermische und strukturelle Beständigkeit steigern sollte. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Beschichtung von NMC-811 Pulver mithilfe eines speziellen reaktiven Sputterverfahrens, wodurch Schichten von Al2O3 bzw. ZrO2 im nm-Bereich abgeschieden wurden. Zur Bestimmung der Dicke und Homogenität der aufgetragenen Schichten wurde die Messung des elektrischen Widerstands von granularen Medien herangezogen. Deren Anwendbarkeit, Deutung und Aussagekraft sind die zentralen Themen dieser Arbeit und werden auch durch Simulationen sowie durch Oberflächenanalysemethoden (wie z.B. XPS) bekräftigt. Die Untersuchung konnte erfolgreich einen reproduzierbaren Zusammenhang zwischen gemessenem Widerstandsverhalten und aufgetragener Schichtdicke aufzeigen, welche die qualitative Aussagekraft der Pulverwiderstandsmessung erhärtet. Zu dem hat sich das verwendete Sputterverfahren als verlässliches Mittel zum gleichmässigen Auftragen von oxidischen Schichten erwiesen, welches im Vergleich zum gängigeren Atomic Layer Deposition-Verfahren (ALD) wesentlich geringere Pulververluste verzeichnet und damit eine erfolgversprechende Alternative darstellt.

The development of Li-ion battery technologies is a crucial part for the future of e-mobility, which is why many dierent approches are explored in order to achieve success. One of these approaches utilizes surface modications on NMC-811 cathode powder, which improves its cyclability by increasing itsstructual and thermal stability. Within this work, NMC-811 powder has been coated with Al2O3 and ZrO2 using a special version of a reactive sputter process, capable of applying coatings in the nm range. The coated powder samples were analyzed by powder resistivity measurements, which have been used to estimate the thickness and homogenity of the applied coatings. The usability, effectiveness and credibility of powder resistivity measurements have been exentensivly studied within this thesis, using numerical simulations and surface analysis methods such as XPS as additional data resources. The experimental data show a correlation between coating thickness and the measured resistivity behaviour, which has been validated by multiple reproduction. In addition, the results in this work showcase the great potential of the powder sputter coating method, proving its ability to apply uniform oxide coatings with minimal powder losses when compared to the Atomic Layer Deposition (ALD).