Ultrakurzpulslaserstrukturierung von LiFePO$_{4}$- und LiMn$_{2}$O$_{4}$-Dickschichtelektroden für Lithium-Ionen-Zellen

Die elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen können durch eine Laser-Mikrostrukturierung der LiFePO$_{4}$-Kompositschicht verbessert werden. Durch eine Verkürzung der Laserpulsdauer von Nanosekunden zu Pikosekunden bzw. Femtosekunden können thermische Verluste verringert werden. Die Abtragsrate wird dadurch deutlich gesteigert. Dies zeigte sich in einer Vervierfachung des Aspektverhältnisses. Es wurde daher Ultrakurzpulslaserstrahlung verwendet, um Mikrostrukturen in kommerziellen und selbst hergestellten LiFePO$_{4}$-Kompositschichten zu generieren. Die angefertigten Elektrodenschlicker wurden zunächst charakterisiert und der Einfluss der Viskosität auf den Schichtherstellungsprozess untersucht. ... mehrFür alle Zellen mit strukturierten Kathoden konnte gezeigt werden, dass die Kapazitätsvorhaltung für Lade-/Entladeraten ≥ C/2 verbessert sowie der Strom in den Zyklovoltammogrammen um bis zu einem 4fachen Wert erhöht werden konnte. Zurückzuführen war dies unter anderem auf eine verbesserte Lithium-Ionen-Diffusion durch die laser-generierte Grenzfläche zwischen Aktivmaterial und flüssigem Elektrolyt. Zur Beschreibung der Lithium-Ionen-Diffusion wurde der chemische Diffusionskoeffizient herangezogen und dieser mittels elektrochemischer Methoden bestimmt. Hierbei wurde der Einfluss der Elektrodenfläche diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine Strukturierung der Kathodenoberfläche der über die Stöchiometrie gemittelte Diffusionskoeffizient um eine Größenordnung vergrößert wurde.

Laser-microstructuring of LiFePO$_{4}$ composite layer improves the electrochemical properties of lithium-ion cells. By decreasing the laser pulse duration from nanoseconds to picoseconds or femtoseconds, heat losses are reduced. The aspect ratio was enhanced by a factor of four and a significant increase of the ablation efficiency was obtained. For this reason, microstructures were generated into commercial and manufactured LiFePO$_{4}$ electrode layer using ultrashort laser pulse durations. For all cells with a laser-structured cathode, the capacity retention was improved for a C-rate ≥ C/2 and the current was increased by a factor of four. ... mehrA reason for this is the improvement of the lithium-ion diffusion due to the laser-generated interface between active material and liquid electrolyte. Chemical diffusion coefficients obtained by electro-chemical methods were used to describe the lithium-ion diffusion. In this context, the influence of the electrode surface was investigated. The overall diffusion coefficient of a cell with a laser-structured cathode was increased even up to one order of magnitude in comparison to a cell with an unstructured cathode.