Niederdimensionale Lithium-Ionenleiter

• Antragsteller: Professor Dr. Paul Heitjans; Professor Dr. Martin Lerch; Professor Dr. Martin Wilkening
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 119336273

Ziel des Teilprojektes ist es, den Einfluss der Dimensionalität auf die Diffusion in Li-Ionenleitern mit strukturell eingeschränkten Transportwegen am Beispiel von ausgewählten ein- und polykristallinen Modellsubstanzen verstehen zu lernen. Methodisch werden dazu NMR-Techniken eingesetzt, deren primäre Messgrößen nicht nur von der Mobilität der Ionen, sondern auch von der Dimensionalität der Diffusionspfade bestimmt werden.Zwischen ein- und zweidimensionaler Diffusion kann mit Hilfe von temperatur- und frequenzabhängigen 6,7Li-NMR-Spin-Gitter-Relaxationsmessungen unterschieden werden: 1D- und 2D-Ionenleiter zeigen sowohl eine charakteristische Asymmetrie der diffusionsinduzierten Spin-Gitter-Relaxations-Ratenpeaks als auch eine unterschiedliche, charakteristische Abhängigkeit von der Larmorfrequenz für den Fall, dass ω0 viel kleiner als die mittlere Sprungrate 1/τ ist. Im Allgemeinen liegt ω0/2π(7Li) bei gängigen Magnetfeldstärken im Bereich von 10 bis etwa 300 MHz. Entsprechende Relaxationsmodelle sagen z. B. für eindimensionale Diffusion eine Wurzelabhängigkeit bzw. für 2D-Diffusion eine logarithmische Abhängigkeit der Rate von ω0 voraus. Analoges gilt für Spin-Gitter-Relaxationsmessungen im rotierenden Koordinatensystem mit dem Unterschied, dass hierbei die Rate proportional zur locking-Frequenz ω1 ist. ω1 liegt im Gegensatz zu ω0 im Bereich von einigen kHz, so dass Sprungprozesse erfasst werden, die um etwa einen Faktor 1000 langsamer sind als bei analogen Messungen im Laborkoordinatensystem. Noch kleinere Sprungraten sind direkt, d. h. modellunabhängig, mit dem NMR-Spin-Alignment-Echo(SAE)-Verfahren zugänglich, das zusätzlich auf die Sprunggeometrie und damit per se auf die Dimensionalität empfindlich ist.Außer mit NMR-Techniken, für die polykristallines Probenmaterial ausreicht, kann die Dimensionalität der Diffusion im Falle einkristalliner Proben auch mit makroskopischen Methoden anhand der Anisotropie des Massen-/Ladungstransports untersucht werden. Dafür sollen die Impedanzspektroskopie und ggf. ergänzend Massentracer-Verfahren sowie die Feldgradienten-NMR-Technik eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1277: Mobilität von Lithiumionen in Festkörpern (molife)
• Internationaler Bezug: Österreich