Mechanismus des Transports von Lithium-Ionen in Festkörper-Verbundmaterialien: Untersuchungen mit Hilfe einer neuartigen Kombination verschiedener Li-NMR-Methoden

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Vogel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237404115

Aufgrund ihrer großen Bedeutung in Energie- und Informationstechnologien steht die Bewegung von Ionen in Festkörper-Elektrolyten seit einigen Jahren im Mittelpunkt des Forschungsinteresses. Trotz dieser Bemühungen ist das Verständnis des Ionentransports in Festkörpern noch unvollständig, sodass die Möglichkeiten eines wissensbasierten Designs neuer Materialien begrenzt bleiben. Voraussetzung für ein grundlegendes Verständnis ist eine umfassende experimentelle Charakterisierung. Im beantragten Projekt möchten wir ausnutzen, dass sich die Festkörper-NMR hervorragend zur Untersuchung der komplexen Ionenbewegung in Festkörper-Elektrolyten eignet. Es soll eine breite Palette von 6Li und 7Li NMR-Techniken zum Einsatz kommen, um die Bewegung von Lithium-Ionen auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zu untersuchen. Zum Studium der Ionendynamik auf mikroskopischen Längenskalen beabsichtigen wir insbesondere erstmals, Stimulierte-Echo-Experimente und Field-Cycling-Experimente zu kombinieren. Erstere ermöglichen eine direkte Messung der Korrelationsfunktion der Ionenbewegung, letztere bieten über eine Bestimmung der Frequenzabhängigkeit der Spin-Gitter-Relaxationszeit T1 Zugang zur Spektraldichte der Ionenbewegung. Dabei ergänzen sich die Zeitfenster beider Methoden auf ideale Weise, sodass durch eine Kombination ein sehr großer Zeitbereich von ca. 1 ps -10 s abgedeckt werden kann. Zum Studium des Ionentransports auf meso- und makroskopischen Längenskalen möchten wir vor allem ausnutzen, dass NMR-Experimente in statischen Feldgradienten eine Messung von Selbstdiffusionskoeffizienten ermöglichen. Durch diese neuartige Kombination von 6Li und 7Li NMR-Techniken zur Untersuchung der Dynamik von Lithium-Ionen auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen sollen der langreichweitige Transport und die elektrische Leitfähigkeit auf der Grundlage der elementaren Sprünge von Lithium-Ionen in einer Festkörper-Matrix verstanden werden.Gegenstand der geplanten Untersuchungen sind Verbundmaterialien, die bei der Suche nach Festkörper-Elektrolyten mit optimierten Materialeigenschaften zunehmend in den Fokus gelangen. Insbesondere möchten wir Verbundmaterialien studieren, für die sich die Struktur oder die Zusammensetzung der Festkörper-Matrix in verschiedenen räumlichen Bereichen unterscheidet. Ein Kriterium für die Auswahl der Systeme ist, dass eine Zunahme der strukturellen Heterogenität mit einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit einhergeht. Als interessante Beispiele sollen Glas-Keramiken (Li2S)_x-(P2S5)_(1-x) und Misch-Netzwerkgläser (Li2S)_0.5-[(1-x)GeS2-xGeO2]_0.5 untersucht werden. Um die Ursache für die hohe elektrische Leitfähigkeit dieser Verbundmaterialen zu ermitteln, möchten wir den Mechanismus des Ionentransports vor dem Hintergrund der strukturellen Heterogenität aufklären. Dieses Wissen ist von großer Relevanz für eine zukünftige Optimierung der elektrischen Leitfähigkeit von Festkörper-Elektrolyten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen