Herstellung von Elektrodenstrukturen für Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Elektrodenstrukturen herzustellen, die für die Anwendung in Lithium- Ionen-Dünnschichtbatterien geeignet sind. Wird in Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien anstelle eines Flüssigelektrolyts ein Dünnschicht-Festelektrolyt verwendet, so kann die Sicherheit, Langlebigkeit und Energiedichte erhöht werden. Damit der Dünnschicht-Festelektrolyt flächendeckend und defektfrei auf der Elektrode abgeschieden werden kann, muss die Elektrode eine mikroskopisch glatte Oberfläche aufweisen. Elektroden mit dieser Eigenschaft lassen sich mittels physikalischer Gasphasenabscheidung herstellen. Als Elektrodenmaterial wurde Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) gewählt. Kennzeichnend für LiFePO4 sind eine gute Umweltverträglichkeit, ein geringer Preis und gute Sicherheitseigenschaften. Die LiFePO4-Dünnschichtelektroden wurden über Magnetron-Kathodenzerstäuben hergestellt, das zu den Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung gehört. Diese Arbeit zeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Substrat und abgeschiedener LiFePO4-Schicht drastische Auswirkungen auf die Morphologie haben können. Sowohl auf Titan als auch auf Aluminium bilden sich eisenreiche Partikel an der Oberfläche der abgeschiedenen Schicht. Die eisenreichen Partikel an der Oberfläche der LiFePO4-Schicht auf Titan haben zum Teil säulenartige Strukturen mit Längen von mehreren hundert Nanometern. Eine Interdiffusion zwischen dem Titansubstrat und der abgeschiedenen LiFePO4-Schicht wird mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie belegt. Durch Verwendung von Titannitrid-Zwischenschichten wird die Interdiffusion zwischen dem Titan und der abgeschiedenen LiFePO4-Schicht stark reduziert. Dies verhindert die Ausbildung der eisenreichen Partikel, so dass die LiFePO4-Schicht eine mikroskopisch glatte Oberfläche besitzt, die für die Beschichtung mit einem Dünnschicht-Festelektrolyten geeignet ist. Gegenüber der direkten Abscheidung der LiFePO4-Schicht auf Titan unterbindet die Titannitrid-Zwischenschicht zusätzlich die Ausbildung weiterer Fremdphasen, wirkt sich positiv auf das Kristallisationsverhalten aus und sorgt für bessere elektrochemische Eigenschaften bei LiFePO4-Schichten mit Dicken von 80 nm und 160 nm. Ab Dicken von 320 nm sind die elektrochemischen Eigenschaften der LiFePO4-Schichten auf Titan besser. Generell wird jedoch nur ein Teil der theoretischen Kapazität genutzt