Synthesis of LiCoO2 Nano Crystals and their Blends with Polymers for Thin Li-ion Batteries

Tragbare elektronische Geräte unterliegen stets wachsenden Anforderungen in Bezug auf höheren Funktionsumfang: sie sollen kleiner und leichter werden. Geeignete Energiequellen müssen deshalb entwickelt werden, um den netzunabhängigen Betrieb zu gewährleisten. Die Wiederaufladbarkeit der Energiequelle wird gefordert. Eine Batterie mit Eigenschaften, die den Anforderungen entsprechen, muß ausgewählt und weiter erforscht werden. Der Schwerpunkt liegt auf kleineren Abmessungen und bei höheren Energiedichten. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und dem breiteren Bereich der Temperatur, gewinnen Lithium-Ionen-Batterien für den industriellen Einsatz immer mehr an Bedeutung. Käufliches Lithium Cobalt Oxid (LiCoO2) Pulver, ist als aktives Material der Kathode der Li-Ionen-Batterien derzeit in Gebrauch. Nachteil ist, daß das Pulver eine sehr breite Partikelgrössenverteilung aufweist und stark agglomeriert. Diese Eigenschaften sind für die niedrigere Kapazität der Batterien verantwortlich. Die industrielle Herstellung der Kathodenschicht wird gegenwärtig durch Schlickerguss („Slip coating“) unter Zuhilfenahme eines Rakels realisiert. Dieser Lösungsmittel – basierte Prozess ist sehr energieaufwendig, komplex und erzeugt keine homogene Schichten. Viele Agglomerate werden in REM-Bildern gefunden. Die raue Oberfläche der Kathodenschicht führt zu einem schlechten Kontakt mit dem Metalkollektor. In dieser Arbeit wird ein alternativer Prozess zur Herstellung des LiCoO2-Pulvers beschrieben, der direkt Nanometer-Partikel in kürzerer Prozesszeit und bei niedrigeren Temperaturen liefert. Die Partikelgrössenverteilung des LiCoO2 ist schmaler. Ferner wird die Entwicklung eines effizienteren Prozess zur Herstellung der Kathodenschicht, der gleichzeitig die Qualität des elektroaktiven Compounds verbessert, beschrieben. Diese Arbeit gibt im ersten Teil einen Überblick über die literaturbekannten Herstellungsverfahren des LiCoO2 und die Parameter, die die Morphologie der Kristalle beeinflußen. Die Charakterisierungsmethoden für LiCoO2-Pulver werden kritisch diskutiert. Das neu entwickelte Verfahren zur Herstellung des LiCoO2 wird sehr detailliert beschrieben. Im zweiten Teil wird ein Extrusionsverfahren beschrieben. Dadurch können die Kathodenblends und die Kathodenschicht leichter hergestellt werden. Ebenso wird die theoretische Grundlage des zweiwelligen Extruders mit Knetelementen erklärt. Die Sythese des LiCoO2, das durch Pyrolyse eines Li/Co-haltigen Polymeren erhalten wird, führt zu sehr feinen Nanopartikeln und einer sehr homogenen Partikelgrössenverteilung. Das Trocknungsverfahren wurde optimiert. Kleine Partikelgrößen bei schmaler Verteilung tragen dazu bei, dass die Aufladungs- und Entladungskapazitäten von LiCoO2 erheblich erhöht werden. Der Kapazitätsverlust je Zyklus ist vernachlässigbar gering. Durch das neue Extrusionsverfahren wird eine sehr homogene dispergierte Morphologie der Blends ereicht. Die Struktur der Oberfläche der Kathodenschicht ist ebenfalls deutlich verbessert. Ein Lösungsmittel wird durch die Verwendung von PEO als ionenleitfähiger Binder vermieden.