Elektrochemische Charakterisierung von LiCoPO4 und Untersuchung von Elektrolyt-Additiven für Hochvolt-Kathodenmaterialien

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LiCoPO4 ist als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen Batterien aufgrund der hohen Spannung und der daraus folgenden hohen theoretischen Energiedichte ein vielversprechender Kandidat, um die Reichweite von elektrifizierten Fahrzeugen wesentlich zu erhöhen. Allerdings sind die sehr geringe elektrische Leitfähigkeit und die fehlende Stabilität des Materials während der Zyklisierung sowie die Zersetzung des Materials durch HF Probleme, die eine kommerzielle
Verwendung des Materials erschweren.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden LiCoPO4 Proben, die mit Hilfe der Festkörpersynthese, der Sol-Gel Synthese, der Solvothermalsynthese sowie der Mikrowellensynthese vom Arbeitskreis für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien hergestellt wurden, elektrochemisch charakterisiert und die Elektrodenherstellung optimiert. Zur Verbesserung der Zyklenstabilität von LiCoPO4 wurden verschiedene Additive im Elektrolyt mit Hilfe von OEMS-Messungen und Zyklisierung von LiCoPO4 in Halbzellen untersucht, wobei Borverbindungen und verschiedene Siloxane gute Ergebnisse zeigten. Da HF in Elektrolyten mit LiPF6 aufgrund der Zersetzung des Leitsalzes mit Spuren von Wasser immer vorliegt, ist eine Quantifizierung von HF im organischen Elektrolyten für die Untersuchung von Lithium-Ionen Batterien notwendig; im Rahmen dieser Arbeit wurde hierfür eine Messmethode entwickelt.

Außerdem wurden vom Arbeitskreis für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien hergestellte LiCoPO4 Proben charakterisiert, bei denen Co durch Fe oder Ni in verschiedenen Anteilen substituiert wurde, wobei unterschiedliche Entladespannungen und verschiedene Elektrolyte untersucht wurden. Während Nickel in den Proben elektrochemisch nicht aktiv ist, zeigte sich bei den Eisen-Proben eine wesentliche Verbesserung der Zyklenstabilität.

Abschließend wurde LiCoPO4 untersucht, das zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in einer Gasphasenreaktion oder mit PTCDA mit Kohlenstoff beschichtet wurde, wobei diese Beschichtungen keine Verbesserung bei der Zyklisierung von LiCoPO4 zeigten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Kohlenstoffbeschichtung des Kathodenmaterials bei der hohen Spannung während der Zyklisierung nicht stabil ist.