Electrochemical Properties of LiFePO4 Thin-Film Electrodes

Abstract

Ob als stationärer Speicher oder als PKW-Batterie, LiFePO4 (LFP) hat sich seit der ersten Erwähnung 1997 durch Padhi et. al als umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu konventionellen Kathoden-Materialien (z.B. LiCoO2) im Bereich der Lithium-Ionen Batterien etabliert. Den Vorteilen stehen jedoch vergleichsweise geringe Leistungsdaten gegenüber, welche auf schlechte elektronische und ionische Transporteigenschaften zurückzuführen sind. Wenngleich sich intrinsische Merkmale dieser Art nachteilig auf eine kommerzielle Nutzung auswirken, so ermöglichen sie jedoch eine detaillierte Betrachtung der zugrundeliegenden Diffusionskinetik. Um nun ein geeignetes System für die Untersuchung der Transport-Prozesse zu generieren, wurden LFP Dünnschichten mittels RF Magnetron Sputtering auf verschiedenen Einkristall-Substraten abgeschieden, wobei die Optimierung des Herstellungsprozesses eine zentrale Rolle einnahm. Mit Hilfe struktureller Methoden wurden die Schichten hinsichtlich Textur und Morphologie charakterisiert und ausgewählte Dünnschichtelektroden in weiterer Folge elektrochemisch untersucht. LFP Dünnschichten wurden erfolgreich auf SrTiO3 (STO) (100) Einkristallen hergestellt, weshalb Nb:STO (100) als elektrisch leitendes Substrat zur Anwendung kam. Hierbei konnte jedoch die Bildung einer porösen Zwischenschicht, verursacht durch Interdiffusion von Strontium und Eisen während der Abscheidung, beobachtet werden, was zu einer Beeinträchtigung der Untersuchungen in Cross-Plane Geometrie führte. Dem konnte einerseits durch Wechsel der Messgeometrie auf In-Plane und andererseits durch den Einsatz einer Pufferschicht entgegengewirkt werden. In-Plane Impedanzmessungen bei Temperaturen bis 450 °C haben eine separate Betrachtung von elektronische und ionische Transporteigenschaften ermöglicht, wobei die erhaltenen Ergebnisse mit der Literatur kongruent sind. Durch Applizierung einer LaNi0.5Co0.5O3 (LNCO) Schicht zwischen Nb:STO und LFP konnte erstmals eine elektrochemisch aktive LFP Dünnschichtelektroden charakterisiert werden, welche bei Untersuchungen mittels Zyklovoltammetrie reversibles Verhalten zeigte. Dieses Resultat dient als essentieller Ausgangspunkt für weiterführende Forschung auf diesem Gebiet.