Thermodynamik und Kinetik von Konversionsreaktionen in neuen, natriumbasierten Batteriesystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Philipp Adelhelm
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257682551

Die Entwicklung von elektrochemischen Energiespeichern gilt als wichtige Voraussetzung, um erneuerbaren Energien auf breiter Ebene zum Durchbruch zu verhelfen. Dies gilt sowohl für mobile Anwendungen als auch für stationäre Speichersysteme. Neben den auf Interkalations- bzw. Insertionsverbindungen beruhenden klassischen Lithiumionen-Batterien werden dabei auch verstärkt alternative Systeme mit potenziell höheren Energiedichten und/oder basierend auf günstigen Materialien untersucht. Eine Alternative zu den auf Interkalation bzw. Insertion beruhenden Elektrodenreaktionen stellen sogenannte Konversionsreaktionen der allgemeinen Form MaXb + (bc)Li = aM + b LicX dar. M steht hierbei in der Regel für ein 3d Übergangsmetall (Fe, Co, Ni, Cu, etc.), X in der Regel für ein Nichtmetall (F, O, N, P, S etc.) und Li für Lithium. Trotz zahlreicher Untersuchungen auf dem Gebiet der Konversionsreaktionen in lithiumbasierten Systemen konnte bisher keine Konversionselektrode identifiziert werden, die bei Raumtemperatur eine zufriedenstellende Zellcharakteristik aufweist. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es daher, die bisher kaum untersuchte Zellchemie von natriumbasierten Konversionsreaktionen bei Raumtemperatur zu erschließen und auf ihren Einsatz in Natriumionen-Batterien hin zu prüfen. Insbesondere sollen Metalloxide, -fluoride, und -hydride untersucht werden. Es ist ein zweites wesentliches Ziel, die Zellchemie von lithium- und natriumbasierten Konversionsreaktionen zu vergleichen. Aus den Unterschieden und Ähnlichkeiten soll ein vertieftes Verständnis für die den Konversionsreaktionen zugrundeliegenden Mechanismen und Teilprozessen erlangt werden, um damit mögliche Verbesserungsansätze formulieren zu können. In beiden Fällen sollen Experimente an Dünnschicht-Modellsystemen helfen, eine möglichst genaue und umfassende Charakterisierung der Elektrodenreaktionen zu ermöglichen. Natrium zeichnet sich hierbei im Vergleich zu Lithium durch eine oftmals bessere analytische Zugänglichkeit aus. Die Ziele sollen mittels zweier parallel verlaufender Teilprojekte Volumenphase und Modell-Schichtsysteme erreicht werden. Im Teilprojekt Volumenphase soll insbesondere die allgemeine Zellchemie von Konversionsreaktionen mit Standardmethoden systematisch erschlossen werden (XRD, SEM, TEM, XPS, Zyklisierung, Zyklovoltametrie, Impedanzspektroskopie, Massenspektrometrie) und die für das Projekt interessantesten Systeme für den Vergleich zwischen Natrium und Lithium identifiziert werden. Im Teilprojekt Modell-Schichtsysteme sollen von ausgewählten Systemen mittels gepulster Laserdeposition (PLD) Modellelektroden bzw. -zellen präpariert werden, die eine eingehendere Untersuchung der Konversionsreaktionen bis hin zu in situ Experimenten erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen