Atomaire laag depositie van stikstof gedopeerde fosfaten voor lithium-ion batterijen

Groep: CoCooN

Promotor: Christophe Detavernier

Begeleiding: Lowie Henderick

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

 

Micro-elektronica kent al vele decennia een exponentiële groei, waarbij devices steeds kleiner, sneller en performanter geworden zijn. ‘Energy harvesting’ heeft de voorbije jaren ook een sterke ontwikkeling gekend, met o.a. energiewinning uit bv. omgevingslicht, thermische of mechanische bronnen. ‘Energy storage’, en meer specifiek batterijtechnologie zijn daarom de Achilleshiel geworden in de ontwikkeling van autonome microsystemen.

Binnen de klasse van Li-ion batterijen is er veel onderzoek naar het maken van verschillende elektrodematerialen, meer specifiek de kathode. Eén van de belangrijke klassen binnen de kathodematerialen zijn de zogenaamde fosfaten, die typisch gebruikt worden omwille van hun grote elektrochemische stabiliteit. Echter hebben deze vaak één groot probleem: hun lage geleidbaarheid voor elektronen en Li-ionen beperkt hun gebruik als elektrodemateriaal. Om dit probleem te overkomen kan men proberen de geleidbaarheid te verhogen door het materiaal te doperen. In dit project zal een fosfaat met stikstof gedopeerd worden, en zal nagegaan worden of dit een voordeel heeft op de eigenschappen van het materiaal.

De depositie van het materiaal zal gebeuren aan de hand van atomaire laag depositie (ALD). ALD is een depositietechniek waarbij atoomlaag-per-atoomlaag filmen kunnen gegroeid worden. Niet enkel vlakke substraten kunnen zo gecoat worden, maar ook complexe 3D structuren kunnen volledig conform bedekt worden met een ultradun (0.1nm-100nm) laagje materiaal.

De dunne film zal uiteindelijk getest worden als elektrode in een Li-ion batterij, en het effect van het stikstof kan hieruit bepaald worden. Echter kan het materiaal ook gebruikt worden als coating voor andere elektrodes. In deze toepassing kijken we vooral naar elektrodes die bestaan uit een poeder, in plaats van een dunne film. Indien zowel de ionaire als de elektronische geleidbaarheid van het te onderzoeken materiaal hoog genoeg zijn, kan dit dan gebruikt wordt als ‘Dual Conductive coating’ (DUCO). Hierbij gebruikt men het onderzochte materiaal niet als de elektrode zelf, maar als dunne coating voor het elektrochemisch actieve poeder. Dit soort goed geleidende coating kan op die manier de bereikbaarheid van het poeder voor elektronen en Li-ionen verhogen, wat de werking van de batterij zal verbeteren.

De bedoeling van deze thesis is het deponeren en karakteriseren van een stikstof gedopeerd fosfaat, en de werking hiervan (als coating en als elektrode) te vergelijken met het niet gedopeerde materiaal. Dit onderzoek zal voornamelijk gebeuren op een vlak substraat, en niet op de hierboven vermelde poeders. De gegroeide lagen zullen gekarakteriseerd worden met X-stralen-reflectie, -diffractie en -fluorescentie. De elektrochemische karakterisatie zal gebeuren in een Argon-gevulde handschoenkast met een potentiostaat, waarbij laden/ontladen en cyclische voltammetrie uitgevoerd zullen worden. Op die manier brengt de thesis inzicht in depositietechnieken, dunne-film karakterisering, materiaalfysica en batterijtechnologie.