Festkörperbatterien mit metallischer Lithiumelektrode gelten aufgrund ihrer potentiell hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte als Speichertechnologie der Zukunft. Durch die Verwendung von keramischen Festelektrolyten wird die thermische Stabilität des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und die Betriebssicherheit gesteigert. Ein weiter elektrochemischer Stabilitätsbereich des Festelektrolyten ermöglicht zudem die Nutzung alternativer Kathodenaktivmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität und Potentiallage.
Zentrale Herausforderungen für die kommerzielle Einführung von Fetskörperbatterien sind häufig noch unzureichende Fest-fest-Kontakte an der Grenzfläche von Elektroden zu Elektrolyt sowie die Herstellung dünner und dichter Festelekrolytschichten. Trotz hohem Forschungs- und Entwicklungsaufwand in den vergangenen zehn Jahren fehlt es noch immer Prozesstechniken zur industriellen Herstellung von Festkörperbatterien mit Festelektrolytschichten auf oxidkeramischer Basis.
In dieser Arbeit wird die aerosolbasierte Kaltabscheidung für die Herstellung von oxidkeramischen Festelektrolytschichten und (Misch-)Kathodenschichten untersucht. Zentrale Schritte zur industriellen Umsetzung werden aufgezeigt und Beschichtungsparameter diskutiert. Die Schichten werden optisch, mikrostrukturell und elektrochemisch bewertet. Der Einfluss der Bestrahlung mit Hochleistungsleuchtdioden im optischen Wellenlängenbereich zur Steigerung der elektrischen Schichteigenschaften wird im Detail dargestellt. Die Prozesstechnik der aerosolbasierten Kaltabscheidung wird alternativen Herstellungtechniken gegenübergestellt und eine Einschätzung zu einer kostenbasierten industriellen Umsetzung gegeben.
Aktualisiert: 2023-06-22
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Festkörperbatterien mit metallischer Lithiumelektrode gelten aufgrund ihrer potentiell hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte als Speichertechnologie der Zukunft. Durch die Verwendung von keramischen Festelektrolyten wird die thermische Stabilität des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und die Betriebssicherheit gesteigert. Ein weiter elektrochemischer Stabilitätsbereich des Festelektrolyten ermöglicht zudem die Nutzung alternativer Kathodenaktivmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität und Potentiallage.
Zentrale Herausforderungen für die kommerzielle Einführung von Fetskörperbatterien sind häufig noch unzureichende Fest-fest-Kontakte an der Grenzfläche von Elektroden zu Elektrolyt sowie die Herstellung dünner und dichter Festelekrolytschichten. Trotz hohem Forschungs- und Entwicklungsaufwand in den vergangenen zehn Jahren fehlt es noch immer Prozesstechniken zur industriellen Herstellung von Festkörperbatterien mit Festelektrolytschichten auf oxidkeramischer Basis.
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Aktualisiert: 2023-06-22
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Festkörperbatterien mit metallischer Lithiumelektrode gelten aufgrund ihrer potentiell hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte als Speichertechnologie der Zukunft. Durch die Verwendung von keramischen Festelektrolyten wird die thermische Stabilität des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und die Betriebssicherheit gesteigert. Ein weiter elektrochemischer Stabilitätsbereich des Festelektrolyten ermöglicht zudem die Nutzung alternativer Kathodenaktivmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität und Potentiallage.
Zentrale Herausforderungen für die kommerzielle Einführung von Fetskörperbatterien sind häufig noch unzureichende Fest-fest-Kontakte an der Grenzfläche von Elektroden zu Elektrolyt sowie die Herstellung dünner und dichter Festelekrolytschichten. Trotz hohem Forschungs- und Entwicklungsaufwand in den vergangenen zehn Jahren fehlt es noch immer Prozesstechniken zur industriellen Herstellung von Festkörperbatterien mit Festelektrolytschichten auf oxidkeramischer Basis.
In dieser Arbeit wird die aerosolbasierte Kaltabscheidung für die Herstellung von oxidkeramischen Festelektrolytschichten und (Misch-)Kathodenschichten untersucht. Zentrale Schritte zur industriellen Umsetzung werden aufgezeigt und Beschichtungsparameter diskutiert. Die Schichten werden optisch, mikrostrukturell und elektrochemisch bewertet. Der Einfluss der Bestrahlung mit Hochleistungsleuchtdioden im optischen Wellenlängenbereich zur Steigerung der elektrischen Schichteigenschaften wird im Detail dargestellt. Die Prozesstechnik der aerosolbasierten Kaltabscheidung wird alternativen Herstellungtechniken gegenübergestellt und eine Einschätzung zu einer kostenbasierten industriellen Umsetzung gegeben.
Aktualisiert: 2023-06-22
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Festkörperbatterien mit metallischer Lithiumelektrode gelten aufgrund ihrer potentiell hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte als Speichertechnologie der Zukunft. Durch die Verwendung von keramischen Festelektrolyten wird die thermische Stabilität des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und die Betriebssicherheit gesteigert. Ein weiter elektrochemischer Stabilitätsbereich des Festelektrolyten ermöglicht zudem die Nutzung alternativer Kathodenaktivmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität und Potentiallage.
Zentrale Herausforderungen für die kommerzielle Einführung von Fetskörperbatterien sind häufig noch unzureichende Fest-fest-Kontakte an der Grenzfläche von Elektroden zu Elektrolyt sowie die Herstellung dünner und dichter Festelekrolytschichten. Trotz hohem Forschungs- und Entwicklungsaufwand in den vergangenen zehn Jahren fehlt es noch immer Prozesstechniken zur industriellen Herstellung von Festkörperbatterien mit Festelektrolytschichten auf oxidkeramischer Basis.
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Aktualisiert: 2023-06-22
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Festkörperbatterien mit metallischer Lithiumelektrode gelten aufgrund ihrer potentiell hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte als Speichertechnologie der Zukunft. Durch die Verwendung von keramischen Festelektrolyten wird die thermische Stabilität des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und die Betriebssicherheit gesteigert. Ein weiter elektrochemischer Stabilitätsbereich des Festelektrolyten ermöglicht zudem die Nutzung alternativer Kathodenaktivmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität und Potentiallage.
Zentrale Herausforderungen für die kommerzielle Einführung von Fetskörperbatterien sind häufig noch unzureichende Fest-fest-Kontakte an der Grenzfläche von Elektroden zu Elektrolyt sowie die Herstellung dünner und dichter Festelekrolytschichten. Trotz hohem Forschungs- und Entwicklungsaufwand in den vergangenen zehn Jahren fehlt es noch immer Prozesstechniken zur industriellen Herstellung von Festkörperbatterien mit Festelektrolytschichten auf oxidkeramischer Basis.
In dieser Arbeit wird die aerosolbasierte Kaltabscheidung für die Herstellung von oxidkeramischen Festelektrolytschichten und (Misch-)Kathodenschichten untersucht. Zentrale Schritte zur industriellen Umsetzung werden aufgezeigt und Beschichtungsparameter diskutiert. Die Schichten werden optisch, mikrostrukturell und elektrochemisch bewertet. Der Einfluss der Bestrahlung mit Hochleistungsleuchtdioden im optischen Wellenlängenbereich zur Steigerung der elektrischen Schichteigenschaften wird im Detail dargestellt. Die Prozesstechnik der aerosolbasierten Kaltabscheidung wird alternativen Herstellungtechniken gegenübergestellt und eine Einschätzung zu einer kostenbasierten industriellen Umsetzung gegeben.
Aktualisiert: 2023-06-14
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Festkörperbatterien mit metallischer Lithiumelektrode gelten aufgrund ihrer potentiell hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte als Speichertechnologie der Zukunft. Durch die Verwendung von keramischen Festelektrolyten wird die thermische Stabilität des elektrochemischen Energiespeichers erhöht und die Betriebssicherheit gesteigert. Ein weiter elektrochemischer Stabilitätsbereich des Festelektrolyten ermöglicht zudem die Nutzung alternativer Kathodenaktivmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität und Potentiallage.
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Aktualisiert: 2023-06-14
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Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit Festelektrolyt gelten als potentielle Speichertechnologie der Zukunft. Der Festelektrolyt bietet die Chance zur Nutzung alternativer Anoden- und Kathodenmaterialien mit hoher spezifischer Energiedichte. Die erhöhte Forschungstätigkeit konnte in den letzten Jahren die technischen Funktionalität von Festkörperbatterien („All-Solid-State Battery“) bestätigen. Unter anderem konnten Festelektrolytwerkstoffe mit deutlich gesteigerter ionischer Leitfähigkeit entwickelt werden, wie zum Beispiel der oxidkeramische Li+-Ionenleiter Li7La3Zr2O12. Die Entwicklung von Fertigungsmethoden zur industriellen Herstellung fehlerfreier, dichter und gleichzeitig dünner Festelektrolytschichten stellt jedoch eine bislang nicht zufriedenstellend gelöste Herausforderung für die Prozesstechnik dar. Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung keramischer Schichten ist die aerosolbasierte Kaltabscheidung oder Aerosol-Deposition (AD), welche die Fertigung dichter keramischer Schichten (Dickenbereich von 1 µm bis 100 µm) bei Raumtemperatur und somit ohne jeglichen Sinterprozess erlaubt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von Beschichtungen aus dem Festelektrolytwerkstoff Li7La3Zr2O12 mit Hilfe der Aerosol-Deposition. Dabei wird die gesamte Prozesskette von der Werkstoffsynthese über die Schichtabscheidung und Charakterisierung der elektrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften bis hin zur Nachbehandlung der Beschichtungen zur Steigerung der ionischen Leitfähigkeit betrachtet. Anhand explorativer Konzepte werden neben der Fertigung der Festelektrolytkomponente auch die Möglichkeiten zur Realisierung weiterer Komponenten einer Festkörperbatterie unter Berücksichtigung der Aerosol-Deposition in der Prozesskette diskutiert.
Aktualisiert: 2020-07-01
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NTC-Thermistoren (Heißleiter) auf Basis von Übergangsmetallmanganaten sind bereits seit vielen Jahrzehnten als Temperatursensoren am Markt verfügbar. Die kommerzielle NTC-Thermistorfertigung erfolgt bislang über traditionelle, sinterbasierte Verfahren. Diese Art Bauelemente zu fertigen ist jedoch wenig flexibel und die Bauelemente sind kaum weiter miniaturisierbar. Die Integrationsfähigkeit in elektronische Schaltungen und die Trimmbarkeit sind begrenzt. Abhilfe könnte mit dem neuartigen Schichtherstellungsverfahren der aerosolbasierten Kaltabscheidung geschaffen werden.
Diese Arbeit untersucht die aerosolbasierte Kaltabscheidung und die aerosolbasierte Komposit-Kaltabscheidung mit nachfolgender In-situ-Kalzination als alternatives Herstellungsverfahren für NTC-Thermistoren. Dabei wird die gesamte Entwicklung, angefangen von der Pulverherstellung und der aerosolbasierten (Komposit)-Kaltabscheidung von Schichten sowie deren Analyse, über die Herstellung und Charakterisierung von Bauteilen bis hin zu ersten Schritten zur industriellen Umsetzung betrachtet.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Eine der am weitesten verbreiteten Keramik zur Herstellung hochisolierender Schutzschichten ist Aluminiumoxid (Al₂O₃), welches auch bei hohen Temperaturen einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. Zur Herstellung von Al₂O₃-Schichten in der thermodynamisch stabilen α-Phase ist es bei konventionellen Beschichtungsprozessen notwendig, die Schichten bei über 1000 °C zu tempern, da sich dort zunächst bevorzugt Al₂O₃ in der unerwünschten γ-Phase bildet. Ein relativ neues Beschichtungsverfahren, bei dem die genannte Problematik nicht auftritt, ist die aerosolbasierte Kaltabscheidung. Mit diesem Verfahren können dichte keramische Schichten direkt aus dem Pulver bei Raumtemperatur abgeschieden werden, ohne dass das Beschichtungsmaterial eine Phasenumwandlung erfährt.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss unterschiedlicher Pulverparameter, der Substrathärte und der Trägergasart auf die aerosolbasierte Kaltabscheidung untersucht. Im Fokus der Untersuchungen standen dabei z.B. die resultierende Abscheiderate, die mechanischen Schichtspannungen oder auch die Transmission der Schichten. Mit den dabei gewonnenen Erkenntnissen wurden Schichten aus Al₂O₃ hergestellt, deren spezifischer elektrischer Widerstand bis zu Temperaturen von 900 °C mit Elektroden in Schutzringanordnung untersucht wurde. Weiterhin wurden Messungen zum Einfluss des Sauerstoffpartialdruckes auf die Leitfähigkeit der Schichten und die Entwicklung der dielektrischen Verluste bei einer Temperaturbehandlung untersucht. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde der mögliche Einsatz kaltabgeschiedener Al₂O₃-Schichten als Passivierungsschichten zur Abdeckung von Platinstrukturen untersucht.
Aktualisiert: 2020-01-15
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): Um keramische Bauteile und Schichten herzustellen, benötigt man üblicherweise Temperaturen über 1000 °C. In den letzten Jahren hat ein Verfahren große Aufmerksamkeit erlangt, welches es erlaubt, dichte keramische Schichten ohne Hochtemperaturprozesse zu erzeugen. Das im engl. oft als Aerosol Deposition Method bezeichnete und mit ADM abgekürzte Verfahren ermöglicht die Aufbringung keramischer Schichten bei Raumtemperatur direkt aus dem keramischen Pulver auf Substratmaterialien aller Werkstoffklassen.
Durch eine Pulverschüttung hindurch wird ein Prozessgas geleitet. Dadurch entsteht ein Pulver-Aerosol, welches durch eine Druckdifferenz vom Aerosolerzeuger in die Vakuumkammer befördert wird. Dort wird das Aerosol durch eine Düse auf mehrere hundert m/s beschleunigt und auf das zu beschichtende Substrat gelenkt. Dabei können fest anhaftende, dichte Beschichtungen von etwa 1 µm bis 100 µm Dicke entstehen. Die funktionellen Materialeigenschaften der erzeugten Schicht sind dabei prinzipiell ähnlich dem Ausgangsmaterial.
Ein industrieller Einsatz dieser Methode würde völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Dafür müssen jedoch sowohl die grundlegenden Mechanismen der Schichtbildung verstanden als auch ausführliche empirische Parameterstudien, die die Prozessparameter betreffen, durchgeführt werden.
Hier setzt diese Arbeit an. Anhand des Werkstoffes Aluminiumoxid werden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt, die sowohl das Pulver und dessen Vorbehandlung als auch Prozessparameter wie Düsengeometrie oder Abstand der Düse vom Substrat betreffen. Ziel ist es, einen wissenschaftlich untermauerten Erfahrungsschatz zu gewinnen, der den groben Horizont der Parameter absteckt, die zu einer guten Schichtbildung führen.
Aktualisiert: 2020-01-28
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