Abgeschlossene Vorhaben

Bisher spielen Verfahren der Oberflächentechnik für die Herstellung typischer Anodenmaterialien (Graphit, Si, …) für Lithiumionenbatterien keine Rolle. Dabei können eine Reihe von potenziellen Materialien (Sn, SnO, Sb, …) mit hohen spezifischen Kapazitäten elektrochemisch appliziert werden. Diese Anodenmaterialien stehen vor der Herausforderung, eine starke Volumenänderung im Lithiierungs- und Delithiierungsprozess zu kompensieren, um den Betrieb langlebiger Zellen zu gewährleisten. Hier kann die Oberflächentechnik durch Strukturierung und Modifizierung den Einsatz dieser Materialien ermöglichen. 

Das Forschungsprojekt „Elektro-SnOx“ befasst sich mit der elektrolytischen Oxidation von Zinn und galvanisch abgeschiedenen Zinnschichten. Dieser Prozess erlaubt die Erzeugung eines porösen Zinnoxids. Die Mikrostruktur führt dazu, dass Anoden aus porösem Zinnoxid wesentlicher länger als Anoden aus Bulkmaterial eingesetzt werden können und sich positiv auf die Schnelladefähigkeit (großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis) auswirkt, zudem hat Zinnoxid eine hohe spezifische Kapazität von 800 mAhg-1 (Graphit 372 mAhg-1), die eine Energiedichtesteigerung der Zelle ermöglicht. Die zwei etablierten Verfahren der Oberflächentechnik, die Galvanik und die elektrolytische Oxidation, werden zur Herstellung des Anodenmaterials verwendet. Ziel des Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis des elektrolytischen Oxidationsprozesses zu gewinnen. Dies erlaubt die Einstellung vorteilhafter Strukturen und Eigenschaften für das Anodenmaterial. 

Für die experimentelle Umsetzung des elektrolytischen Oxidationsprozesses an Zinnbulkmaterial sowie galvanisch erzeugten Zinnschichten konnten Materialien, Chemikalien und technische Elektrolyte für technisch anwendungsnahe Bedingungen von Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss verwendet werden. Der Großteil der Untersuchungen konzentrierte sich auf das Oxidationsverhalten von abgeschiedenen Mattzinnschichten (s. Abb. 1) in einer 0,5 M Oxalsäure für Potenziale bis 20 Volt (vs. Ag/AgCl). Es konnten technische Parameter (Oxidbildungsraten, Effizienz, Porengrößenverteilungen, Tortuosität, Anoden-Coulombeffizienz, …) bestimmt sowie der Oxidbildungsmechanismus im Potenzialbereich beschrieben werden. Anhand elektronenmikroskopischer Querschnittsanalysen der Schichten zeigte sich eine bevorzugte Auflösung des Zinns an den Korngrenzen und ein kornorientierungsabhängiges Porenwachstum. Die Materialanalytik zyklisierter Anoden versus Lithium zeigt den Erhalt der Mikrostruktur und die Rückbildung der Porenstruktur nach der Delithiierung der Anode. Coulombeffizienzen von 97 Prozent erklären sich durch die Degradation von verbliebenen Zinnresten in der Zinnoxidmatrix sowie die Ausbildung der SEI (s. Abb. 2). Es erfolgten exploratorische Untersuchungen zur Oxidation von Glanzzinnschichten, die ein vielversprechenden Ansatz zur Optimierung der Mikrostruktur aufzeigen. 

Die Resultate des Projektes belegen anschaulich die gewinnbringende Kombination zweier Verfahren der Oberflächentechnik zur Herstellung von Anodenmaterialien für Lithiumionenbatterien.

Schlussbericht
Hier finden Sie den Schlussbericht zum Download: Schlussbericht 

Förderkennzeichen
21913BR 

Laufzeit
01.07.2022 bis 31.10.2024

Forschungseinrichtung
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden 

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.