Entwicklung und Charakterisierung von Dünnschicht-Akkumulatoren auf Basis von Festkörpermaterialien

Zahlreiche technische Anwendungen erfordern wiederaufladbare Batterien mit einer hohen Energiedichte und gleichzeitiger Miniaturisierung. Festkörperbatterien bilden eine gute Voraussetzung, diesen Ansprüchen gerecht zu werden. In dieser Arbeit soll ein wiederaufladbares Festkörper-Dünnschichtbatteriesystem realisiert werden, das eine höhere Arbeitsspannung als die bisher entwickelten Dünnschichtsysteme aufzeigt. Zur Herstellung der dünnen Schichten wurde die physikalische Gasphasenabscheidung eingesetzt, da diese Technik gute Kontaktierungen zwischen den verschiedenen dünnen Filmen liefert. Als Festkörperelektrolyt konnte Lithiumphosphoroxynitrid durch reaktives Sputtern eines Li3PO4-Targets in Stickstoffgas abgeschieden werden. Diese Filme besitzen eine ionische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von 10-6 S/cm. Als Anode wurde in dieser Arbeit Aluminium ausgewählt. Zur Ermittlung des Verhaltens der Aluminiumschicht in einem Schichtverbund mit Lithiumphosphoroxynitrid als Festkörperelektrolyt wurde zunächst ein Festkörpersystem mit gesputterten LiCoO2 als Kathode realisiert. Dieses System zeigte eine Arbeitsspannung von 3 V bis 3,9 V gegen Al, LiAl. Durch GITT-Messungen wurde der chemische Diffusionskoeffizient mit 10-11 cm2/s bis 10-12 cm2/s bei Raumtemperatur ermittelt. Für die Erhöhung der Spannung dieses Systems wurden die Kathodenmaterialien Li2MMn3O8 M = Co, Fe verwendet. Diese Materialien konnten durch Elektronenstrahlverdampfen als dünne Schicht hergestellt werden. Die Lade- und Entladezyklen zeigten einen reversiblen Spannungsbereich zwischen 3 V und 5 V gegen Al, LiAl. Die mit GITT gemessenen chemischen Diffusionskoeffizienten dieser Systeme in verschiedenen Ladezuständen liegen in einem Bereich von 10-12 cm2/s bis 10-13 cm2/s bei Raumtemperatur.