Plastisch-kristallline Festkörper-Elektrolyte

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Peter Lunkenheimer
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315230498

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Elektrolyte, Materialien mit hoher ionischer Leitfähigkeit, sind essentiell für verschiedene Anwendungen zur Energiespeicherung und -wandlung wie z.B. Akkumulatoren, Brennstoffzellen und Superkondensatoren. Für die nachhaltige Energieversorgung von morgen sind deutliche Fortschritte bei solchen Anwendungen essenziell, wobei die Entwicklung besserer Elektrolyte ein Schlüsselfaktor ist. Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet, die im Rahmen dieses Projektes weiter verfolgt werden soll, sind sogenannte plastische Kristalle mit kleinen Mengen zugemischter Salze zur Erzeugung ionischer Ladungsträger. Plastische Kristalle bestehen aus Molekülen, die frei rotieren können. Es wird vermutet, dass dieser Effekt, mittels eines "Drehtür"-artigen Mechanismus, der Grund für die überraschend hohe ionische Leitfähigkeit vieler dieser Materialien ist. Plastische Kristalle sind Festkörperelektrolyte und haben daher klare Vorteile gegenüber den derzeit in der Batterietechnologie verwendeten flüssigen Elektrolytmaterialien, die oft gesundheitsschädlich und leicht entflammbar sind. Für ihre tatsächliche technische Anwendbarkeit ist allerdings eine weitere Optimierung ihrer Eigenschaften notwendig, insbesondere eine Erhöhung der Leitfähigkeit. Ziel dieses Projektes war das Erreichen eines besseren Verständnisses der mikroskopischen Mechanismen der Ionenbewegung in plastischen Kristallen. Zudem sollten Wege zur Optimierung ihrer Leitfähigkeit gefunden werden. Zu diesem Zweck haben wir zahlreiche Mitglieder dieser Materialklasse hauptsächlich mit dielektrischer Spektroskopie untersucht. Diese Methode ist sowohl auf die Rotationsdynamik der Moleküle als auch auf die Translationsbewegung der Ionen sensitiv, was Rückschlüsse auf die mögliche Kopplung beider Dynamiken erlaubt. Wir konnten bestätigen, dass eine Verbesserung der Leitfähigkeit durch das Mischen zweier plastisch-kristalliner Substanzen erreicht werden kann, und konnten zeigen, dass dieser Leifähigkeitsanstieg eine erstaunlich universelle Eigenschaft ganz verschiedener Arten von plastischen Kristallen ist. Überraschenderweise finden wir, dass dies, je nach Material, ganz unterschiedliche mikroskopische Ursachen haben kann: Meist ist hier der Drehtür-Mechanismus relevant, der für Mischungen effektiver wird. Allerdings scheint in einigen Systemen ein Defektmechanismus aktiv zu sein, wobei hier die Leitfähigkeit aufgrund der zusätzlichen Unordnung, die durch die Zumischung einer zweiten Komponente entsteht, erhöht wird. Welcher dieser Effekte dominiert, hängt im Wesentlichen von den Molekülformen und/oder dem Mischungsverhältnis ab. Der Grad der Translations-Rotations-Kopplung, die molekulare Rotationsrate, das Mischungsverhältnis und die Größe und Form der Moleküle können die Leitfähigkeit beeinflussen. Die Optimierung dieser vier Faktoren ist essenziell für zukünftige elektrochemische Anwendungen. Durch Erreichen eines besseren Verständnisses der Ionenbewegungen in plastischen Kristallen und durch die systematischen Untersuchungen des Einflusses der erwähnten Faktoren auf ihre Leitfähigkeit ebnet dieses Projekt den Weg für die Entwicklung neuartiger plastisch-kristalliner Elektrolyte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Variation of ionic conductivity in a plastic-crystalline mixture, J. Chem. Phys. 147, 104502 (2017)
  D. Reuter, C. Geiß, P. Lunkenheimer, and A. Loidl
  
• Importance of reorientational dynamics for the charge transport in ionic liquids, Phys. Rev. E 98, 052605 (2018)
  P. Sippel, S. Krohns, D. Reuter, P. Lunkenheimer, and A. Loidl
  
• Ionic conductivity of deep eutectic solvents: the role of orientational dynamics and glassy freezing, Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 6801 (2019)
  D. Reuter, C. Binder, P. Lunkenheimer, and A. Loidl
  
• Plastic-crystalline solid-state electrolytes: Ionic conductivity and orientational dynamics in nitrile mixtures, J. Chem. Phys. 150, 244507 (2019)
  D. Reuter, P. Lunkenheimer, and A. Loidl
  
• Charge transport by global protonic conductivity and relaxational dynamics over hydrogen bonds in Fe2+Fe3+3.2(Mn2+,Zn)0.8(PO4)3(OH)4.2(HOH)0.8, Solid State Ionics 347, 115240 (2020)
  M. Winkler, P. Lunkenheimer, A. Loidl, S.-H. Park, B. Röska, and M. Hoelzel
  
• Ionic and dipolar dynamics in glassy electrolytes, PhD thesis, Augsburg, 2020
  D. Reuter
  
• Ionic conductivity and relaxation dynamics in plastic crystals with nearly globular molecules, J. Chem. Phys. 153, 014502 (2020)
  D. Reuter, K. Seitz, P. Lunkenheimer, and A. Loidl