Herstellung und Charakterisierung keramischer Festkörperelektrolyte mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit: Untersuchung des Einflusses der Stöchiometrie auf die Kristallstruktur und die Lithiumdiffusion

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Ehrenberg; Professor Dr. Christian Elsässer; Professor Dr. Michael J. Hoffmann; Anatoliy Senyshyn, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246310112

In wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien erfolgt der Ionentransport zwischen Anode und Kathode meist über Lithiumsalze, die in organischen Lösemitteln gelöst sind. Zwar wird auf diese Weise eine hohe Ionenleitfähigkeit realisiert, aber intrinsische Nachteile wie Toxizität und Brennbarkeit gehen mit Problemen wie mangelnder Temperaturstabilität und der Gefahr des Auslaufens im Schadensfall einher. Falls es gelänge, die ionische Leitfähigkeit von anorganischen, festen Elektrolyten zu steigern und somit den Flüssigelektrolyten eventuell gänzlich durch einen Festkörper zu ersetzen, wäre dies ein großer Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit und könnte dadurch die Marktakzeptanz auch für mobile Anwendungen steigern.In vorliegendem Projekt sollen keramische Festkörperelektrolyte mit potentiell hoher Ionenleitfähigkeit bei gleichzeitig niedriger Elektronenleitfähigkeit identifiziert, hergestellt und charakterisiert werden. Als Materialsystem ist die Klasse der NZP vorgesehen, deren allgemeine Struktur sich durch (M1)[6](M2)3[8] [L2[6](X[4]O4)3] beschreiben lässt. Mit M1 und M2 werden dabei Zwischengitterplätze bezeichnet, die mit Lithium teil- oder vollbesetzt sind; die Plätze L und X sind durch Titan respektive Phosphor besetzt. Das Ziel der Arbeiten wird sein, Antworten auf folgende Frage zu finden: Wie wird die NZP-Struktur durch verschiedene Kationen-Substitutionen beeinflusst und welche Folgen resultieren daraus für die Lithiumionenleitfähigkeit? Dies soll anhand der Kombination von experimentellen mit theoretischen Arbeiten geklärt werden. Weiterhin soll diese Frage hinsichtlich einer (Teil-) Substitution der anionischen (PO4)3- durch (SiO4)4- Strukturbausteine vertieft werden, da hiermit mehr Li+ auf die M1- bzw. M2-Plätze gebracht werden kann. Dadurch eröffnet sich die Chance, strukturelle Eigenschaften von der Menge an eingelagertem Li bis zu einem bestimmten Grad entkoppeln zu können.Um den Einfluss von kristallographischer Struktur und chemischer Zusammensetzung von NZP-Festkörperelektrolyten auf die Li-Verteilung und Kinetik der Li-Bewegung zu untersuchen, bieten sich verschiedene Methoden an, die in diesem Projekt angewandt werden sollen. Als wesentlicher Baustein zur Klärung der offenen Fragen soll das Diffusionsverhalten der Alkalimetallionen als Funktion der Struktur und Zusammensetzung untersucht werden. Aus der Kombination von Modellierung (first-principles-Berechnungen und atomistische Simulationen) und Experiment (Herstellung von phasenreinen, höchstverdichteten Materialien und deren Charakterisierung, Bestimmung der Li-Verteilung und der Diffusionspfade mittels Neutronenbeugung) sollen die Vor- und Nachteile der Klasse von NZP-Verbindungen für die Ein- und Auslagerung von Li-Ionen erarbeitet werden. Dies schafft die Basis um eine wissenschaftliche Strategie zur Optimierung der NZP-Struktur und deren Zusammensetzung zu entwickeln. Schließlich soll einschätzbar werden, inwiefern sich NZP-Kristalle als Festkörperelektrolyte eignen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen