Isotopeneffekte, Sprungkorrelationen und Diffusionspfade in Li-haltigen Oxidgläsern

• Antragstellerin: Dr. Anna-Maria Welsch
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 119336273

Ziel des Teilprojektes ist es, die chemische Diffusion und die Selbstdiffusion von Lithium in amorphen und kristallinen Oxidphasen systematisch zu untersuchen. In den Experimenten wird die Diffusion von Lithium in chemisch homogenen Systemen und in Systemen mit chemischen Potentialgradienten mit der Diffusionspaarmethode studiert. Profile der Elemente und der Isotope werden durch Laserablation in Kombination mit Massenspektrometrie (MC-ICP-MS, Sektorfeld-MS) gemessen und je nach Form mit einfachen oder komplexen Diffusionsgleichungen angepasst. Im Zentrum der Untersuchungen stehen Gläser, bei denen die Mechanismen der Li-Migration bisher im Detail wenig verstanden sind. Zum Vergleich sollen Studien an Einkristallen dienen, die eine gut definierte atomare Struktur haben und somit eine eindeutige Interpretation erlauben. Der Vergleich von Kristallen und Gläsern sowie die strukturelle Modifikation der Gläser werden Einblicke in die Bedeutung von kurz- und langreichweitiger Ordnung auf die Diffusion von Lithium geben. Ausgehend von Silicaten und Aluminosilicaten, die in der ersten Förderperiode intensiv studiert wurden, soll das Materialspektrum auf andere Oxide mit hohem kovalenten Bindungsanteil wie Borate und Phosphate ausgedehnt werden. Variationen der Struktur von Gläsern können isochemisch über den Abkühlungspfad eingestellt werden. Geringe Dichten werden durch schnelle Abkühlung bei Umgebungsdruck, z. B. mit dem Roller-Quench-Verfahren, erhalten, während eine langsame Abkühlung unter Druck zu Gläsern mit höherer Dichte führt. Die Kombination von Diffusionsversuchen mit Impedanzspektroskopie ermöglicht es, Korrelationsfaktoren für die Li-Diffusion mit hoher Präzision zu messen. Der Korrelationskoeffizient in den Festkörpern wird durch den Diffusionsmechanismus bestimmt, d. h. durch die kontrollierenden Defekte und die Potentiallandschaft. Die Interpretation von experimentell gemessenen Korrelationskoeffizienten in amorphen Systemen ist bisher jedoch sehr unsicher. Ein Vergleich mit theoretischen Modellierungen soll diesbezüglich neue Aufschlüsse geben, welches die vorherrschenden Mechanismen bei der Lithiumdiffusion sind. Dazu sollen festkörperquanten-chemische und klassische Berechnungen an vereinfachten Modellstrukturen durchgeführt werden, die ausgewählte lokale Strukturmotive der Gläser in periodischen Superzellen abbilden sollen. Eine Zielsetzung des Projektes ist es, an Hand der theoretischen Modellierung zu einer Vorhersage von Diffusionseigenschaften von Materialien basierend auf Zusammensetzung und Struktur zu kommen. Hierzu sollen im ersten Schritt für die Systeme, die in der ersten Förderperiode untersucht wurden (Aluminosilicate und Silicate), Modelle entwickelt werden. Im zweiten Schritt sollen an Hand dieser Modellvorstellungen Systeme und Bedingungen identifiziert werden, bei denen besondere Effekte hinsichtlich der Li-Diffusion zu erwarten sind. Im nächsten Schritt können dann die Modellvorstellungen experimentell überprüft werden und, darauf basierend, die Modellrechnungen gegebenenfalls optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1277: Mobilität von Lithiumionen in Festkörpern (molife)
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Harald Behrens; Privatdozent Dr. Ingo Horn