Lithiierte metallische Anoden (LixSn1-x) mit einer internen flüssigen Ga-reichen Matrix für wiederaufladbare Li-Ionen Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Jürgen Seifert, seit 5/2017
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314555937

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das binäre System Gallium-Lithium wurde mit kalorimetrischen und thermischen Analysen untersucht. Die binären Mischungsenthalpien der Schmelzphase wurden bei einer Temperatur von 1081 K mit einem Mischungskalorimeter ermittelt. Sie zeigen einen ausgeprägten negativen Verlauf. Die Differenz-Thermoanalysen (DTA) ergaben die Temperaturen der nonvarianten Systemreaktionen sowie die Liquidustemperaturen. Diese im Projekt ermittelten Daten sowie die Informationen der Literatur wurden eingesetzt, um das System thermodynamisch mit der CALPHAD-Methode zu modellieren und das Phasendiagramm zu berechnen. Ein konsistenter und kompatibler Computer-Datensatz, der die analytischen Beschreibungen der Freien Enthalpien für alle Systemphasen aufweist, wurde neu erstellt. Die Rechenergebnisse zeigen sehr gute Übereinstimmungen mit den zuverlässigsten experimentellen Daten. Mischungsenthalpie-Daten und thermische Analysewerte im Ga-Li-Sn System haben im Rahmen dieses Projektes für eine sehr gute Klärung der Eigenschaften der ternären Schmelzphase geführt. Es wurde der Nachweis geführt, dass keine signifikanten ternären Interaktionen der Elemente in der Schmelze vorhanden sind. Dies ermöglichte es, mittels dem Toop-Modell die Mischungsenthalpien zu berechnen. Eine Schmelzflächenprojektion vervollständigt die Beschreibung der Schmelze und wurde mit thermischer Analyse erstellt. Diese Daten können für zukünftige thermodynamische Modellierungen des ternären Systems Ga-Li-Sn eingesetzt werden und haben den Grundstein für weitere Untersuchungen gelegt. Als eine besondere methodische Herausforderung erwies sich die Ermittlung des für die jeweilige Messmethode geeignetsten Tiegelmaterials und die für die Probenherstellung erforderlichen Doppeltiegel (innerer Bornitrid- und äußerer versiegelter Eisentiegel). Für die Probenherstellung war zudem die Einkapselung der Tiegel in Quarz-Ampullen erforderlich. Das in diesem Projekt erzielte fundamentale Verständnis der Thermodynamik von metallischen Ga-Sn Anodenmaterialien ist ein wichtiger Schritt zur möglichen Entwicklung von zukünftigen Lithium-Ionen Batterien. Eine thermodynamische Modellierung des ternären Ga-Li-Sn Systems und damit ein effektives Modell zur Berechnung von elektrochemischen Potentialen für zukünftige Lithium-Ionen-Batterien ist die Aufgabe zukünftiger Arbeiten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019): Calorimetric studies of mixing enthalpy in the liquid system Ga-Li, and Ga-Li-Sn. In: J. Mol. Liq. 295, S. 111578
  Fels, J.; Berger, P.; Reichmann, T. L.; Seifert, H. J.; Flandorfer, H.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111578)
• “Ga-Li Binary Phase Diagram Evaluation”, in MSI Eureka, Effenberg, G. (Ed.), MSI, Materials Science International, Stuttgart (2019), Document ID: 20.13998.1.6 (Crys. Structure, Phase Diagram, Phase Relations, Assessment, 60)
  Fels, J.