Kinetik der Li-Interkalation und De-Interkalation in Tantalchalkogenid-Einkristallen

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Behrens; Professor Dr. Michael Binnewies (†); Privatdozent Dr. Ingo Horn; Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 119336273

Die Kinetik der Interkalation von Lithium in Schichtstrukturen ist bisher nur sehr unzureichend verstanden und wird im TP am Beispiel der Chalkogenide systematisch untersucht. Die Interkalation einer Gastspezies in ein Wirtsgitter ist ein komplexer mehrstufiger Prozess, bei dem nicht von vorneherein klar ist, welcher der Teilschritte geschwindigkeitsbestimmend ist. In der ersten Phase des Projektes wurden Untersuchungen zur chemischen Interkalation von Lithium in Titanchalkogenid-Einkristallen durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Einbau von Lithium in diese Schichtstrukturen sehr inhomogen erfolgt und lokale Spannungen beim Einbau des Lithiums in den Kristall eine wesentliche Rolle für die Interkalationskinetik spielen. In einer konsequenten Fortsetzung dieses Ansatzes wollen wir den Lithiumeinbau in Tantalsulfiden studieren, die im Unterschied zu den Titanverbindungen elektrisch gut leiten. Dies ermöglicht es, sowohl die chemische als auch die elektrochemische Interkalation zu untersuchen. Mit den Tantalsulfiden kann die Lithiumverteilungen in Einkristallen sowohl nach Li-Interkalation als auch nach partieller Deinterkalation bestimmt werden und dadurch neue Einblicke in die Mechanismen von Ladungs- und Entladungsvorgängen in Batterien erhalten werden. Insbesondere wollen wir prüfen, welchen Einfluss die angelegte Spannung dabei hat. Zum Studium der chemischen Interkalation werden Einkristalle mit n-Butyllithiumlösungen in Hexan oder Heptan kontaktiert und Lithium-Profile in den Kristallen mittels Laserablation kombiniert mit Massenspektrometrie und ergänzend mit SIMS gemessen. Zur elektrochemischen Interkalation wird eine Zelle aus der ersten Förderperiode modifiziert, wobei Lithium-Metall als eine Elektrode und TaS2 als die zweite Elektrode fungieren. Je nach Schaltung der Elektroden als Anode oder Kathode kann Li in LixTaS2 (0≤x≤1) eingebaut oder ausgebaut werden. Auch hier werden Li-Profile in LixTaS2 Schlüsselinformationen über die Interkalationskinetik geben. Nach den Erfahrungen aus der ersten Projektphase wird der Druck einen wesentlichen Einfluss auf die Kinetik der Interkalation und De-Interkalation von Lithium ausüben. Neben hydrostatischen Experimenten in Goldkapseln sollen vor allem Versuche unter einem axialen Druck von einigen kbar (oder mehr) mit der neu aufgebauten Stempeldruckapparatur durchgeführt werden, um einem Auffächern der Kristalle entgegenzuwirken und die Abhängigkeit der Prozesse vom Druck selbst zu studieren. Andere Parameter, die variiert werden sollen, sind die Temperatur und die Li-Konzentration in der Lösung. Versuche mit unterschiedlichen TaS2-Polymorphen werden Aufschlüsse darüber geben, inwieweit Schichtabfolge und Tantalkoordination eine Rolle bei der Li-Interkalation spielen.

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