Elektrochemische Untersuchungen von Natrium-Festkörperbatterien mit Dünnschicht-Natriumkobaltoxidkathoden

In der vorliegenden Arbeit werden Festkörperakkus mit Dünnschicht NaₓCoO₂-Kathoden auf Nasicon (Na₃.₃Sc₀.₃Zr₁.₇Si₂PO₁₂) und ß’’-Alumina Festkörperelektrolyten diskutiert. Polykristalline NaₓCoO₂-Dünnschichten wurden auf polykristallinen Elektrolyten mittels gepulster Laser Deposition hergestellt. Die Depositionsparameter bestimmen dabei die Texturierung, Korngröße, Stöchiometrie und isomere Phase. Mit einer Natriumanode versehende Zellen aus NaₓCoO₂/ Festkörperelektrolyt/Na wurden elektrochemisch zykliert und die Grenzflächenwiderstände mit EIS-Messungen bestimmt. Akkus mit Nasicon konnten bis zu 4.2 V geladen werden, hatten eine initiale spezifische Kapazität von 150 mAh/g und nur geringfügige Überpotentiale. Operando Raman- und XRD-Messungen an P2- und O3-NaₓCoO₂ Kathoden zeigten Phasenübergänge in Abhängigkeit des Natrium-Interkalationsgrades. Akkus mit ß’’-Alumina Elektrolyten hatten immer eine erhöhte Überspannung von mindestens 100 mV und eine auf 80 mAh/g reduzierte Kapazität aufgrund von Kalziumdiffusion aus dem ß’’-Alumina in die Kathode.

In the present work sodium all-solid-state batteries with Na-super ionic conductor (Nasicon) Na₃.₃Sc₀.₃Zr₁.₇Si₂PO₁₂ and ß’’-alumina solid state electrolytes in combination with thin-film NaₓCoO₂ cathodes are discussed. Polycrystalline NaₓCoO₂ films were deposited on the polycrystalline solid state electrolytes using pulsed laser deposition. The NaxCoO₂-phase is influenced by the deposition parameters and is correlated with the battery performance. NaₓCoO₂/Nasicon/Na and NaₓCoO₂/ß’’-alumina/Na Swagelok-type cells were assembled with a sodium anode and electrochemically investigated by electrochemical cycling and EIS. Cells with Nasicon are charged up to 4.2 V and have a specific capacity of up to 150 mAh/g and little overpotential. Cells with ß’’-alumina show higher overpotential of at least 100 mV and, thus, lower capacity of 80 mAh/g. The impact on electrochemical performance of the crystal- and microstructure, as well as impurities of the NaₓCoO₂ cathode are investigated.