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| Poster (After Call) | FZJ-2013-02005 |
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2013
Abstract: Dünnschicht-Li7La3Zr2O12-Elektrolyte für Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien „All Solid State“ Lithium (Li)-Ionen-Batterien bieten besonders in Bezug auf ihre inhärente Sicherheit viele Vorteile im Vergleich zu konventionellen Lithium-Batterien mit organischen Flüssigelektrolyten. Die Klasse der keramischen oder glaskeramischen Festelektrolyte umfassen Sulfate wie z.B. Li10GeP2S12, Phosphate wie Li2.88PO3.73N0.14 (LIPON), und Oxide, wie z.B. Li3xLa2/3-x□1/3-2xTiO3 (LLTO), Li7La3Zr2O12 (LLZ). Die Li-Ionenleitfähigkeit dieser Materialien variieren stark, oft über mehrere Größenordnungen, und ist im Allgemeinen niedriger als die von Flüssigelektrolyten. Besonders das Oxidmaterial LLZ ist durch seine hohe Li-Ionenleitfähigkeit und einfache Prozessierung im Vergleich zu Materialien der Sulfat-Klasse ein aussichtreicher Kandidat für industrielle Fertigung von Festkörperbatterien. Um das Problem der geringeren Leitfähigkeit zu lösen, bietet sich Dünnschichttechnologie an, um den benötigen inneren Widerstand der Batterie dennoch zu ausreichend zu reduzieren. Am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) des Forschungszentrums Jülich wird daher LLZ sowohl über nasschemische Verfahren, als auch über Festkörperreaktion hergestellt und charakterisiert. Leitfähigkeitswerte deutlich über denen anderer Materialien der Oxidklasse konnten erzielt werden. In einem zweiten Schritt wird die Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) für die Herstellung von Dünnschichtbatterien eingesetzt. Bei der Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahlverdampfens (EBPVD) und Magnetron-Sputterns können mehrere Komponenten mit relativ hohen Abscheideraten gleichzeitig aufgetragen werden. Variable Reaktivgase sowie Substrattemperaturen bis zu 800°C gewährleisten dabei die gewünschte Filmmorphologie. Als Kathodenmaterial wurde LiFePO4 gewählt, das umweltverträglich und kostengünstig ist und in der Industrie schon in konventionellen „state of the art“ Zellen benutzt wird. Auch stellt die phasenreine Abscheidung als Dünnschichtkathode eine wesentliche Herausforderung dar. Es wurden erfolgreich alle für eine Vollzelle benötigten Schichten (Stromableiter, Anode, Elektrolyt, Kathode, evtl. Schutzschichten) abgeschieden und sowohl chemisch als auch morphologisch charakterisiert. Die so hergestellte Zelle wurde erfolgreich elektrochemisch charakterisiert und mit Zellen aus anderen Materialien verglichen.
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