Elektrochemische Untersuchungen zur reversiblen, planaren Abscheidung von Lithium aus verschiedenen Elektrolytsystemen

Abstract

Die Untersuchungen im Rahmen dieses Promotionsprojektes zielen auf ein tieferes Verständnis der Grenzflächenveränderung während der kathodischen Abscheidung von metallischem Lithium ab. Die kathodische Lithiummetallabscheidung wurde mit dem verwendeten Probermodulaufbau hinsichtlich der unterschiedlichen Einflussparameter (Stromdichte, Temperatur, Präparation der Elektrolytoberfläche) auf unterschiedlichen Festelektrolyten erfolgreich untersucht. Die Morphologieunterschiede (Dendrite/Whisker) konnten durch die in situ Beobachtung im HREM visualisiert werden. Im Stromdichtebereich bis 50 mA/cm² konnte whiskerartiges Wachstum beobachtet werden, im Grenzbereich zwischen 100 mA/cm² - 300 mA/cm² sowohl laterales als auch vertikales Wachstum, und ab 300 mA/cm² konnte dendritisches Wachstum beobachtet werden. Der Einfluss der Oberflächenpräparation auf die laterale Ausdehnungsrichtung der Metallabscheidung konnte ebenso gezeigt werden, wie die Ausbildung einer oberflächlichen Abreaktionsschicht auf dem Elektrolyten. Untersuchungen zur Reversibilität haben gezeigt, dass die Kontaktfläche zwischen Metallabscheidung und Festelektrolyt entscheidend ist für die Reversibilität der Metallabscheidung. Durch Kontaktverluste während der Auflösung kommt es zu einem Verlust an Aktivmaterial. Mit den impedanzspektroskopischen Messungen während der kathodischen Metallabscheidung konnte eine Veränderung des Grenzflächenwiderstands gezeigt werden. Zudem konnten Informationen bezüglich der Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials erlangt werden.

The investigations within this project focus on a deeper understanding of changes in the interface during the cathodic deposition of metallic lithium. The cathodic lithium metal deposition was successfully investigated with the used prober module setup with regard to the different influencing parameters (current density, temperature, preparation of electrolyte surface) on different solid electrolytes. The morphological differences (dendrites/whiskers) could be visualized by the in situ observation in the HRSEM.The whisker-like growth was observed in the current density range up to 50 mA/cm² and both the lateral and the vertical growth could be observed in the transition region between 100 mA/cm² - 300 mA/cm² and over 300 mA/cm² only dendritic growth was observed. The influence of the preparation of the solid electrolyte surface and the formation of a reaction layer on the surface of the electrolyte have also been shown.The contact area between metal deposit and solid electrolyte is the main factor determing reversibility. Contact loss during the metal dissolution leads to a loss of active material. With impedance spectroscopic measurements during the cathodic metal deposition, a change in the interfacial resistance could be observed. From the impedance spectra measured with microelectrodes the conductivity of the solid electrolyte material could also be obtained.