Nickel-Phosphorschichten werden oft außenstromlos abgeschieden, wobei Phosphorgehalte zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent erreicht werden. Mit galvanischer Abscheidung lassen sich durch geeignete Abscheideparameter Phosphorgehalte von bis zu 45 Gewichtsprozent erzielen. Diese eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten, z. B. als Anodenmaterialien für Lithium- und Natriumionenbatterien und versprechen eine deutlich höhere Energiedichten als etablierte Anoden aus Kohlenstoff.

Theoretisch sind für die Speicherung einer Amperestunde 2,69 g Kohlenstoff, bei 45 Gewichtsprozent Phosphor aber nur 0,87 g Nickel-Phosphor nötig. Chemisch synthetisierte Nickel-Phosphor Partikel werden in der Literatur als vielversprechende Anodenmaterialien erforscht [1]. Im Gegensatz dazu gibt es zu galvanisch abgeschiedenen Schichten für diesen Einsatz kaum Literatur. Die galvanische Abscheidung stellt ein einfaches, gut skalierbares und kostengünstiges Produktionsverfahren dar. Zudem kann ein guter mechanischer und elektrischer Kontakt zum Stromableiter ohne den Einsatz von Bindemitteln gewährleistet werden, was die spezifische Energie der Batterie erhöht.

Im Rahmen einer Projektarbeit werden Nickel-Phosphorschichten galvanisch abgeschieden und der Einfluss von Temperatur und Potential bzw. Stromdichte auf den Phosphorgehalt untersucht. Mithilfe einer Quarzkristall-Mikrowaage lässt sich die abgeschiedene Masse während der Abscheidung sehr präzise verfolgen (Abb. 1).

Erläuterung zu Abb. 1: Stromtransienten und Massenzunahme bei potentiostatischer Abscheidung von Nickel-Phosphor bei 80 °C und -0,8 V gegen Ag/AgCl. Das System wird zunächst für 10 s nahe dem Ruhepotential gehalten, wobei kein Strom fließt und auch keine Masse abgeschieden wird. Dann wird ein Potential von -0,8 V angelegt. Der Strom steigt schnell auf einen konstanten Wert von etwa 60 mA- Die abgeschiedene Masse steigt dementsprechend linear mit der Zeit. Insgesamt werden 428 µg abgeschieden, was einer Schichtdicke von ca. 1 µm entspricht.

Anschließend wird die Schicht anodisch teilweise wieder aufgelöst und auch hier die Massenänderung verfolgt. Diese Informationen werden genutzt, um die partiellen Stromdichten für Nickel, Phosphor und Wasserstoff aufzuschlüsseln. So kann neben den Phosphorgehalt auch die Stromausbeute bestimmt werden. Der Phosphorgehalt wird zusätzlich mit RFA und XPS-Analysen verifiziert. Rasterelektronenmikroskopie zeigt über einen weiten Bereich der Abscheideparameter eine gleichmäßige porige Struktur (Abb. 2).

Erläuterung zu Abb. 2: REM Aufnahme einer Ni-P. Die Abscheidung erfolgte bei 90 °C und -0.8V gegen Ag/AgCl für 60 s. Bei der Abscheidung entstehende Wasserstoffblasen, die die Abscheidung temporär blockieren und zur Porenbildung führen.

Mit geeigneten Parametern können auch glatte Schichten hergestellt werden. Nach der Analyse werden die Schichten einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Einfluss einer veränderten Phasenzusammensetzung zu untersuchen. Abschließend wird an ausgewählten Schichten das Einlagerungsverhalten von Natrium- und Lithiumionen untersucht.

Literatur:

[1] G. Chang et al.: A review of phosphorus and phosphides as anode materials for advanced sodium-ion batteries. J. Mater. Chem. A 8 (2020) 4996. DOI: 10.1039/c9ta12169b

Zur Person:

Michael Witt absolvierte sein Bachelorstudium der Chemie an der Universität Erlangen. Dank des ZVO-Stipendiums kann er das Masterstudium "Elektrochemie und Galvanotechnik" an der TU Ilmenau zügig absolvieren und sich im Rahmen der Projektarbeit mit neuen, spannenden Anwendungen der Galvanotechnik für Energiespeicher beschäftigen.

Kontakt:

PD Dr.-Ing. habil. Svetlozar Ivanov (Betreuer der Projektarbeit)
Technische Universität Ilmenau
Fachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnik
svetlozar-dimitrov.ivanov(at)tu-ilmenau.de

Michael Witt
michael.witt(at)tu-ilmenau.de