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Synthesis and thin film growth of alkaline cobaltates NaxCoO2 and LixCoO2

Hildebrandt, Sandra :
Synthesis and thin film growth of alkaline cobaltates NaxCoO2 and LixCoO2.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Synthesis and thin film growth of alkaline cobaltates NaxCoO2 and LixCoO2
Language: English
Abstract:

In this study sol-gel synthesis was used to fabricate NaxCoO2, LiNi1/2Co1/2O2 and LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2. By using acetate precursors a lower process temperature was accessible, which has a positive effect on the sodium and lithium loss during synthesis. The lithium based powders were single phase and kept cation stoichiometry after sintering. A small grain size is favourable for battery applications. Sodium content was slightly reduced after temperature treatment compared to the initial cation mixture, due to the high volatility of Na. To fabricate thin films PLD was used for deposition. All films were deposited on SrTiO3 substrates. The growth mechanism of NaxCoO2 on SrTiO3 was investigated and an in-plane and out-of-plane relation between film an substrate was found. The films grow 15° and 45° rotated with respect to the ab-plane of the substrate and grow in c-axis direction out-of-plane. The sodium content and the crystallinity of the NaxCoO2 was investigated as a function of the post deposition treatment. A change of x between 0.38 and 0.84 can be achieved. The gamma-phase was preserved in all films despite of the change of the sodium content. The in-situ variation of sodium stoichiometry, allows to tune the film properties in a wide range. This feature is an advantage compared to bulk NaxCoO2, in which only certain stoichiometries can be stabilized. Fabrication of superconducting thin films Na0.33CoO2• 1.3H2O was challenging, since the superconducting phase is metastable and hardly to stabilize as a thin film. LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 and LiNi1/2Co1/2O2 thin films were grown by PLD in (104)-orientation. These thin film materials are promising candidates as cathode materials for the development of thin film batteries.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurde NaxCoO2, LiNi1/2Co1/2O2 und LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 mittels Sol-Gel Synthese hergestellt. Durch die Verwendung von Acetaten als Ausgangsstoffe konnten niedrigere Prozesstemperaturen verwendet werden, welches einen positiven Effekt auf den Natrium- oder Lithiumverlust während der Synthese hat. Die Pulver der Lithiumcobaltate waren einphasig und die Stöchiometrie der Kationen Co, Ni, und Mn blieb auch nach dem Sintern konstant. Die kleine Partikelgröße, welche durch den Herstellungsprozess erreicht wird, ist von Vorteil bei der Anwendung der Materialien in Batterien. Im Vergelich zur Ausgangsmischung war der Natriumgehalt nach dem Sintern des Pulvers leicht reduziert, was auf die Volatilität von Natrium zurückzuführen ist. Zur Herstellung dünner Schichten wurde der PLD-Prozess verwendet. Alle Schichten wurden auf SrTiO3-Substraten unterschiedlicher Orientierung abgeschieden. Der Wachstumsmechnismus von NaxCoO2 auf SrTiO3 wurde untersucht und die in-plane und out-of-plane Orientierung Schicht zu Substrat gefunden. Die Schichten wachsen c-achsenorientiert auf und sind um 15° bzw. 45° verdreht zur ab-Ebene des Substrats. Der Natriumgehalt und die Kristallinität der Schichten wurde in Abhängigkeit von der Temperaturbehandlung nach dem Schichtwachstum untersucht. Der Natriumgehalt in den Schichten kann zwischen 0,38 und 0,84 eingestellt werden. Hierbei bleibt die gamma-Phase von NaxCoO2 erhalten. Die Möglichkeit den Natriumgehalt der Schichten über einen großen Konzentrationsbereich einzustellen ist ein Vorteil gegenüber dem Festkörper, der nur bei bestimmten Natriumgehalten stabil ist. Die Herstellung supraleitender Schichten Na0,33CoO2• 1,3H2O war herausfordern, da es sich bei dieser Phase um eine metastabile Phase handelt, die als dünne Schicht schwierig zu stabilisieren ist. LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 und LiNi1/2Co1/2O2 wurden mittel PLD (104)-orientiert auf SrTiO3 gewachsen. Beide Materialien sind vielversprechend für die Anwendung als Kathodenmaterialien bei der Entwicklung neuer Dünnschichtbatterien.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: NaxCoO2, Sol-Gel-Synthesis, LixCoO2, thin film, pulsed laser deposition, epitaxial relation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
NaxCoO2, Sol-Gel Synthese, LixCoO2, Dünne Schicht, gepulste Laserdeposition, Epitaktische BeziehungGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
Date Deposited: 24 May 2013 08:43
Last Modified: 24 May 2013 08:43
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33716
Referees: Alff, Prof. Dr. Lambert and Donner, Prof. Dr. Wolfgang and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Albert, Prof. Dr. Barbara
Refereed: 18 February 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3371
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