Entwicklung Impedanzspektroskopie-basierter Methoden zur mechanistischen Untersuchung der Bildung von Oberflächenfilmen auf Lithium-Ionen-Elektroden

Die irreversible Bildung von Oberflächenfilmen auf den Elektroden von Lithium-Ionen-Zellen hat weitreichenden Einfluss auf deren Funktionalität. So können derartige Filme sowohl dazu beitragen den dauerhaften und reversiblen Betrieb einer Lithium-Ionen Zelle zu ermöglichen, als auch zu einer Herabsetzung der Leistungsfähigkeit führen. Im Sinne der Weiterentwicklung und Optimierung von Lithium-Ionen-Zellen ist es daher unerlässlich, das Verständnis über die Funktionalität und die Mechanismen der Ausbildung solcher Filme zu vertiefen. Ein ideales Werkzeug zur Untersuchung derartiger Prozesse stellt die elektrochemische Impedanz-spektroskopie (EIS) dar. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Impedanzspektroskopie-basierte Methode entwickelt, die zu einem umfassenderen Verständnis der Bildung von Oberflächenfilmen auf Anoden und Kathoden von Lithium-Ionen-Zellen führt. Dabei wurden in Abhängigkeit des Ladungszustandes der entsprechenden Zellen impedanzspektroskopische Untersuchungen unter Variation der Temperatur durchgeführt. Auf diese Weise wurden zwei in der Literatur beschriebene Ansätze zur Charakterisierung von Oberflächenfilmen kombiniert: die Beobachtung der ladungszustandsabhängigen Impedanz solcher Filme und deren Beschreibung über die Temperaturabhängigkeit ihres Widerstandes. Letztere erfolgte über die Bestimmung der Aktivierungsenergie aufgrund der bei verschiedenen Temperaturen gemessenen Spektren. Mittels dieser Methode wurden die Filmbildungsprozesse zweier Elektroden untersucht. Der weitestgehend aufgeklärte Mechanismus der Ausbildung von Oberflächenfilmen auf Kohlenstoff-Anoden konnte auf diese Weise nachvollzogen und in Abhängigkeit des Potentials beschrieben werden. In einer zweiten Studie wurde der bisher nicht umfassend beschriebene Mechanismus der Filmbildung an LiMn2O4-Kathoden untersucht. Aufgrund der Potential- und Ladungszustands-abhängigen Aktivierungsenergien, konnte abgeleitet werden, wie die einzelnen Reaktionen, die zur Ausbildung des Oberflächenfilms führen, ineinandergreifen. Ein Mechanismus alternierend auftretender Reaktionen wurde postuliert. Neben diesen mechanistischen Erkenntnissen über die Ausbildung von Oberflächenfilmen an Lithium-Ionen-Elektroden konnte darüber hinaus ein Vorschlag zur Zuordnung der Aktivierungsenergie des Ladungsdurchtritts an Lithium-Ionen-Elektroden formuliert werden.