Li-Diffusion in Lithium-Silizium-Verbindungen

Projektleiter: Prof. Dr. Harald Schmidt

Förderzeitraum: 06/2016 - 12/2020
Förderstelle: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Thema des vorliegenden Antrags ist die erstmalige systematische Untersuchung der Li-Tracer-Diffusion im System Lithium-Silizium (Li_xSi). Dies ist einerseits von Relevanz für ein grundlegendes Verständnis kinetischer Prozesse an negativen Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien für optimierte Ladezeiten, Leistungsdichte und maximale Kapazität. Andererseits besteht Interesse an der Weiterentwicklung einer im Bereich der Li-Diffusion kaum eingesetzten Methodik anhand eines interessanten Modellsystems.

Die Experimente sollen an LixSi-Verbindungen in Abhängigkeit vom Li-Gehalt x, von der Temperatur und von der Glühzeit durchgeführt werden. Hierzu werden verschiedenartige Modellsysteme in Form von 6LixSi/7LixSi-Isotophetrostrukturen eingesetzt, die auf Si-Wafer-Substrate mit Ionenstrahl-Sputterdeposition aufgebracht werden. Vergleichende Untersuchungen an elektrochemisch lithiierten Silizium-Schichten sollen die Experimente ergänzen und die Unterschiede aufzeigen. Zur isotopenselektiven Analyse wird Sekundärionen-Massenspektrometrie im Tiefenprofilmodus und im Linscanmodus eingesetzt. Dies erlaubt eine Bestimmung von Diffusionskoeffizienten im Bereich von 10-10 bis 10-23 m2/s. Folgen die Diffusionskoeffizienten dem Arrheniusgesetz, wird die Aktivierungsenthalpie der Diffusion bestimmt und im Hinblick auf mögliche Diffusionsmechanismen im Rahmen von theoretischen Literaturarbeiten analysiert. Die Ergebnisse sollen mit elektrochemischen GITT-Messungen verglichen werden.