Untersuchung zu Fremdionendiffusion in Elektrolytseparatoren für Festkörperbatterien als Titelbild von Advanced Functional Materials
Keramische, granatbasierte Festkörperelektrolyte wie Lithiumlanthanzirkonoxid (Li7La3Zr2O12, LLZO) benötigen für ihre Fertigung zur Festkörperbatteriezelle einen Heizschritt bei Temperaturen über ~1000 °C. In diesem Heizschritt, dem sogenannten Sintern, findet eine Verdichtung des ursprünglichen Pulvermaterials statt, wodurch die jeweilige dichte finale Komponente der Batteriezelle (Kathode oder Separator zwischen den Elektroden) entsteht. Viele bisherige Untersuchungen haben diesen Schritt, insbesondere in Kombination mit Kathodenmaterialen, genauer betrachtet, da hier eine Vielzahl an ungewollten Effekten auftreten kann.
Am IEK-1 ist nun eine Studie durchgeführt worden bei der der LLZO Separator nach dem Co-Sinterschritt mit der Kathode analysiert wurde. Dabei konnte erstmalig eine weitreichende Kobaltionen Diffusion von der Kathode in den Separator erstmalig festgestellt werden, welche zu einer Verfärbung des Materials führte und seine elektrochemischen Eigenschaften nachteilig beeinflusste. Dies ging einher mit der Entstehung von drei verschiedenen Kobalthaltigen Kristallphasen die sich in unterschiedlichen Regionen im Separator anreichern. Die Ursache für die Bildung dieser Nebenphasen konnten mit Molekular dynamischen Simulationen aufgeklärt werden.
Das Wissen aus dieser Studie kann nun für zukünftige Forschungen genutzt werden, um gezielt die Kobaltionen Diffusion zu analysieren, zu reduzieren oder zu unterdrücken.
Die Arbeiten wurden in einer internationalen Kooperation mit dem Lawrence Livermore National Laboratory, der University of Michigan, der National Taiwan University of Science and Technology und der University of Maryland durchgeführt.
Die zugehörigen Arbeiten wurden in dem Journal „Advanced Functional Materials“ publiziert und zusätzlich wurde die graphische Illustration zum Titelblad der Journalausgabe ausgewählt (siehe Abbildung).
Link zur Veröffentlichung: https://doi.org/10.1002/adfm.202302939
Quelle: Scheld, W. S., Kim, K., Schwab, C., Moy, A. C., Jiang, S.-K., Mann, M., Dellen, C., Sohn, Y. J., Lobe, S., Ihrig, M., Danner, M. G., Chang, C.-Y., Uhlenbruck, S., Wachsman, E. D., Hwang, B. J., Sakamoto, J., Wan, L. F., Wood, B. C., Finsterbusch, M., Fattakhova-Rohlfing, D., The Riddle of Dark LLZO: Cobalt Diffusion in Garnet Separators of Solid-State Lithium Batteries. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2302939. https://doi.org/10.1002/adfm.202302939
