Synthese und Charakterisierung funktioneller Lithium-basierter Dünnschichten zur Anwendung in Energiespeichersystemen

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2020

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9831

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Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Dünn- schichten auf Lithiumbasis im Hinblick auf eine Anwendung in Energiespeichersystemen. Polykristalline Dünnfilme können als Modellsystem dienen, um die Transporteigenschaften im festen Zustand im atomaren Maßstab zu verstehen. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf den beiden lithiumionenleitenden Materialien LiPSON und LiCoO2 (LCO). LiPSON fungiert als Festelektrolyt, während bei LCO die Ionenleitfähigkeit durch eine elektronische Leitfähigkeit ergänzt wird, was wiederum die Anwendung als Elektrodenmaterial ermöglicht. Dünne Filme beider Materialien wurden mittels reaktiver Radiofrequenz (RF)-Kathodenzerstäubung (engl. rf sputter deposition) herge- stellt. Zusammen mit metallischem Lithium als Anodenmaterial ist die Kombination von LiPSON und LCO ein geeigneter Kandidat für die Modellierung einer Standard- Festkörperbatterie als sogenannte Mikrobatterie unter Verwendung einer einzelnen Abscheidungsmethode.LiPSON ist ein dem LiPON verwandtes Material des sogenannten Li(A,B)ON-Systems (A, B = P, S, Si). Dieses Material wurde in der Literatur nicht ausführlich untersucht, da LiPON der dominierende Kandidat des Li(A,B)ON-Systems für die Verwendung als Festelektrolyt war und die meiste Aufmerksamkeit auf sich zog. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals LiPSON-Dünnfilme beschrieben, die durch reaktive RF-Kathodenzerstäubung hergestellt wurden. Die strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften der LiPSON-Dünnschichten wurden hinsichtlich der Ionenleitfähigkeit charakterisiert und optimiert. Das Verhalten von LiPSON in Kontakt mit metallischem Lithium, d.h. der Grenzflaäche zwischen Anode und Elektrolytmaterial in Dünnschicht-Festkörperbatterien, wurde durch Ro¨ ntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht und mit LiPON als derzeitigem Festkörperelektrolyten der gleichen Materialklasse verglichen.LiCoO2 ist ein gemischter ionischer und elektronischer Leiter und kann daher als Kathodenmaterial verwendet werden. Die Lade- und Entladeleistung hängt stark von der kristallographischen Orientierung von LCO ab, da es in einer Schichtstruktur kristallisiert. Daher wurde der Abscheidungsprozess von LCO im Hinblick auf die kristallographische Orientierung und die physikalisch-chemischen Eigenschaften optimiert, um die Lebensdauer, die gravimetrische und volumetrische Energiedichte und die Ka- pazität einer Dünnschicht-Festkörperbatterie zu verbessern.

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