Festkörper-Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Herstellung mit Hilfe der physikalischen Gasphasenabscheidung
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Sven Ulrich: Diplom-Physiker, Jahrgang 1965, Promotion in Physik an der Universität Kaiserslautern, seit 1997 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und seit 2006 als Abteilungsleiter der Abteilung Stoffverbunde und Dünnschichten am heutigen Institut für Angewandte Materialien – Angewandte Werkstoffphysik (IAM-AWP) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) tätig. 2012 erfolgte die Habilitation an der Fakultät für Maschinenbau (KIT) zum Thema „Entwicklung multifunktionaler, kovalent gebundener Dünnschichtmaterialien am Beispiel von kubischem Bornitrid“ verbunden mit der Lehrbefugnis in Werkstoffkunde sowie die Ernennung zum stellvertretenden Institutsleiter des IAM-AWP.
Dipl.-Ing. Marc Strafela: Diplom Ingenieur in Werkstoffwissenschaft, Jahrgang 1986. Seine Promotion an der KIT-Fakultät für Maschinenbau am KIT im Bereich der Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien im Stoffsystem Li-Ni-Co-Mn-O steht kurz vor dem Abschluss. Seit 2016 arbeitet er bei der Osram Opto Semiconductors GmbH in Regensburg im Bereich der Dünnschichttechnologie.
Dr.-Ing. Julian Fischer: Diplom in Physik, Jahrgang 1984, Promotion an der KIT-Fakultät für Maschinenbau zum Thema „Entwicklung von Dünnschichtkathoden für Lithium-Ionen-Batterien durch nichtreaktives HF-Magnetronzerstäuben im ternären System Lithium-Mangan-Sauerstoff“. Arbeitet seit 2014 bei der Leclanché GmbH in Baden-Württemberg als Prozessingenieur im Bereich der Batteriefertigung.
Dr. rer. nat. Carlos Ziebert: Diplom in Physik, Jahrgang 1972, Promotion in Physik an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken zum Thema „Nanostrukturierte dielektrische Perowskitschichten und Ferroelektrikum/Relaxor-Multischichten“, seit 2002 tätig als wissenschaftlicher Mitarbeiter und seit 2011 Leiter des Batteriekalorimeterlabors am heutigen Karlsruher Institut für Technologie.
Dr.-Ing. Michael Stüber: Diplom Ingenieur in Maschinenbau, Jahrgang 1965, Promotion in Maschinenbau an der TH Karlsruhe zum Thema „Magnetron-gesputterte superharte, amorphe Kohlenstoffschichten mit gradiertem Schichtaufbau“, arbeitet seit 1996 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und seit 2009 als Gruppenleiter für Hochleistungsschutzschichten in der Abteilung Stoffverbunde und Dünnschichten, ebenfalls am KIT.
Dr. rer. nat. Harald Leiste: Diplom-Physiker, Jahrgang 1953, Promotion am Kristallographischen Institut der Universität Freiburg auf dem Gebiet der Kristallzüchtung von Silizium. Arbeitet seit 1985 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und seit 2009 als Gruppenleiter für Funktionsschichten in der Abteilung Stoffverbunde und Dünnschichten am heutigen KIT.
Dr.-Ing. Klaus Seemann: Diplom-Physiker, Jahrgang 1964, Promotion an der TH Karlsruhe zum Thema „Entwicklung einer magnetostrikiven Dünnschicht-Mikromembranpumpe“. Arbeitet seit 1998 als wissenschaftlicher Mitarbeiter auf dem Gebiet ferromagnetischen Materialien am heutigen KIT.
Zusammenfassung
deAll-Solid-State-Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und ihrer hohen Sicherheit ein großes Anwendungspotential, insbesondere für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik wie MEMS, CMOS, medizinischen Implantaten und Geräten, Chipkarten, RFID, E-Textilien und Smartphones. Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien umfassen drei Hauptbestandteile, die Kathode, den Festkörperelektrolyten und die Anode, zusätzlich zu zwei Stromsammlern für die Kathode bzw. Anode. Neben den Materialeigenschaften einzelner Komponenten sind der Kontakt der Stromsammler zur Anode und Kathode sowie die Schnittstellen zwischen Kathode, Anode und Festkörperelektrolyt von entscheidender Bedeutung für die Batterieleistung. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den aktuellen Forschungsstatus und betrachtet die einzelnen Batteriekomponenten hinsichtlich ihrer Materialauswahl, Konstitution, Mikrostruktur sowie der physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften. Die Herausforderungen bei der Aufskalierung werden ebenfalls diskutiert.
Summary
enAll Solid-State-Lithium-Ion-Batteries – Production by physical vapor deposition
All-solid-state thin-film lithium-ion-batteries have a great application potential, in particular for the use in microsystem technologies, such as MEMS, CMOS memories, medical implants and devices, smart cards, skin patch, RFID, wearables, E-textiles, smart phones, due to their high power density and high safety. All-solid-state lithium ion batteries comprise three main parts, the cathode, solid state electrolyte, and anode, in addition to two art collectors for the cathode and anode, respectively. Besides the material properties of individual components, the contact of the current collectors to the anode and cathode, as well as the interfaces between the cathode, anode and solid state electrolyte are of crucial importance for the battery performance. This article provides an overview of the current research status, highlighting the individual battery components in terms of their material selection, constitution, microstructure as well as the physical, chemical and electrical properties. The challenges in up-scaling will also be discussed.
