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Der hohe Bedarf an leistungsfähigen Energiespeichern für mobile Anwendungen mit Abmessungen bis in den Mikrometerbereich erfordert den Einsatz neuer Technologien und Forschungsansätze. Lithium-Ionen-Batterien haben sich aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte als Speicher für elektrische Energie etabliert. Die Weiterentwicklung der Batteriematerialien, neben dem Elektrolyt vornehmlich die Kathode und die Anode ist dabei entscheidend, um den zukünftigen Anforderungen an Energiedichte, Zyklenstabilität und Hochstromfähigkeit gerecht zu werden. Um die elektrochemischen Eigenschaften von Dünnschichtelektroden gezielt zu beeinflussen und zu optimieren, wurden Laserprozesse zur Modifizierung der Topographie und des Gefüges entwickelt. Zum einen wurde eine gezielte Mikrostrukturierung der Elektroden mittels UV-Excimer-Lasern eingesetzt, um die aktive Elektrodenoberfläche zu vergrößern und damit die Diffusion der Lithium-Ionen zu verbessern. Dabei wurden dreidimensionale Elektrodenarchitekturen erzeugt. Gleichzeitig konnten Volumenänderungen, die während des Ladens und Entladens auftreten, durch Mikrostrukturierung kompensiert werden. Zum anderen wurde eine gezielte Einstellung der kristallinen Phase und der Korngrößen durch einen lasergestützten Wärmenachbehandlungsprozess mit einem Diodenlaser durchgeführt. In dieser Arbeit wurden zwei Materialien, Lithiumcobaltoxid, ein gebräuchliches Kathodenmaterial mit geringer Volumenausdehnung sowie Zinnoxid, ein neuartiges Anodenmaterial mit hoher Volumenänderung während der Lithium-Ein- bzw. Auslagerung, betrachtet. Es konnte durch elektrochemische Zelltests gezeigt werden, dass durch das Einbringen einer dreidimensionalen Mikrostruktur für beide Elektrodenmaterialien eine signifikante Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften möglich ist. Bei Lithiumcobaltoxid skaliert dieser Effekt linear mit der erzeugten Oberflächenvergrößerung. Ebenso konnte mit Hilfe des Laser-Annealings durch eine Variation der Annealing-Zeiten und -Temperaturen eine optimierte Kornstruktur und eine Erhöhung der Kapazität und Zyklenstabilität bei einer Laderate von 1C erreicht werden. In Zinnoxid-Dünnschichten konnten die durch Laserstrukturierung erhöhte Zyklenstabilität auf eine verringerte Schichtdelamination zurückgeführt werden, die aus reduzierten Schichtspannungen resultierte.
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Lasergestützte Strukturierung und Gefügemodifikation der Elektrodenmaterialien Lithiumcobaltoxid und Zinnoxid für Lithium-Ionen-Batterien, Robert Kohler
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- 2014
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