Ionische Transporteigenschaften von nanokristallinen Hochentropie-Oxiden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Hahn, seit 2/2022
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424789449

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Anorganische ionenleitende Materialien spielen eine zentrale Rolle in elektrochemischen Systemen zur Energiespeicherung und -umwandlung. Eine neuartige Materialklasse, bekannt als Hochentropiematerialien, hat in den letzten Jahren aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften zunehmende Aufmerksamkeit erlangt. Die Konfigurationsentropie dieser Materialien wird durch die Mischung von fünf oder mehr Elementen auf einem Gitterplatz innerhalb einer einphasigen Kristallstruktur signifikant erhöht. Bei Vorliegen einer positiven Mischenthalpie kann dadurch sogar eine entropisch-stabilisierte Kristallstruktur realisiert werden, die für die jeweiligen Reinelementverbindungen thermodynamisch nicht zugänglich ist. Im Rahmen dieses Projekts wurden mehrere Hochentropieoxide (HEOs) synthetisiert, um den Einfluss der erhöhten konfigurationsbedingten Entropie sowie der daraus resultierenden Hochentropieeffekte – wie Gitterverzerrungen und dem sogenannten Cocktail-Effekt – auf die ionische Leitfähigkeit zu untersuchen. Dabei wurde sowohl die kationische Leitfähigkeit (Li⁺) als auch die anionische Leitfähigkeit (O²⁻) betrachtet. Das erste untersuchte Materialsystem innerhalb dieser Kooperation zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Indian Institute of Technology (IIT) Madras war ein Li-Ionen-leitendes Übergangsmetall-basiertes R-HEO mit einer phasenreinen Kochsalzstruktur. Für den Sauerstoffionentransport entlang des anionischen Untergitters wurde eine auf Seltenerdmetallen basierende F-HEO mit Fluoritstruktur analysiert. Darüber hinaus wurden weitere Materialsysteme entwickelt, um bestehende Herausforderungen zu adressieren, darunter garnet-artige Li-Ionen-Leiter sowie Perowskitstrukturen für sowohl Lithium- als auch Sauerstoffionenleitfähigkeit. Die untersuchten Materialien wurden mittels modernster Charakterisierungsmethoden und Verarbeitungstechniken umfassend analysiert, um ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen chemischer Zusammensetzung, Kristallstruktur, Defektchemie und ionischem Transportverhalten in Hochentropieoxiden zu erlangen. Abschließend wurden die entwickelten Materialsysteme in elektrochemische Zellen integriert – sowohl als Festelektrolyte als auch als Elektroden- und Beschichtungsmaterialien. Diese Arbeiten eröffnen neue Perspektiven für die Weiterentwicklung von Hochentropiematerialien sowohl im Hinblick auf fundamentale wissenschaftliche Fragestellungen als auch technologische Anwendungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Embracing disorder in solid-state batteries. Science, 378(6626), 1273-1274.
  Botros, Miriam & Janek, Jürgen
  
• High-entropy spinel-structure oxides as oxygen evolution reaction electrocatalyst. Frontiers in Energy Research, 10.
  Stenzel, David; Zhou, Bei; Okafor, Chukwudalu; Kante, Mohana Veeraju; Lin, Ling; Melinte, Georgian; Bergfeldt, Thomas; Botros, Miriam; Hahn, Horst; Breitung, Ben & Schweidler, Simon
  
• Study of conductivity in Ca-doped high-entropy aluminates (Gd,La,Nd,Pr,Sm)1- xCaxAlO3; KIT Materials day, Karlsruhe, Germany, June 21, 2022, Poster
  M. V. Kante
  
• Synthesis of perovskite-type high-entropy oxides as potential candidates for oxygen evolution. Frontiers in Energy Research, 10.
  Schweidler, Simon; Tang, Yushu; Lin, Ling; Karkera, Guruprakash; Alsawaf, Alaa; Bernadet, Lucile; Breitung, Ben; Hahn, Horst; Fichtner, Maximilian; Tarancón, Albert & Botros, Miriam
  
• A High-Entropy Oxide as High-Activity Electrocatalyst for Water Oxidation. ACS Nano, 17(6), 5329-5339.
  Kante, Mohana V.; Weber, Moritz L.; Ni, Shu; van den Bosch, Iris C. G.; van der Minne, Emma; Heymann, Lisa; Falling, Lorenz J.; Gauquelin, Nicolas; Tsvetanova, Martina; Cunha, Daniel M.; Koster, Gertjan; Gunkel, Felix; Nemšák, Slavomír; Hahn, Horst; Velasco Estrada, Leonardo & Baeumer, Christoph
  
• Effect of citric acid to ethylene glycol (CA:EG) ratio on the particle size and OER catalytic activity of perovskite-type high entropy oxides; CHEAC summer school, Copenhagen, Denmark, 15 – 18 August 2023, Poster
  M. V. Kante
  
• High entropy oxides as electrolyte for solids oxide fuel cells; Microstructural functionality at the nanoscale III, Venice, Italy, June 8-9, 2023, Oral presentation
  M. V. Kante
  
• Influence of doping on the electrochemical performance of compositionally complex garnet-type solid electrolytes, Venice, Italy, June 8-9, 2023, Oral presentation
  A. Alsawaf
  
• Study of oxygen ion conductivity in high entropy oxides; European materials research society, Strasbourg, France, May 29 – June 2, 2023, Oral presentation
  M. V. Kante
  
• Synthesis and characterization of dense, rare-earth based high entropy fluorite thin films. Journal of Alloys and Compounds, 947, 169430.
  Kante, Mohana V.; Hahn, Horst; Bhattacharya, Subramshu S. & Velasco, Leonardo
  
• Synthesis and Processing of High Entropy Materials and their Integration into Lithium Batteries, PhD Thesis Technical University Darmstadt
  Cui, Yanyan
  
• Elucidation of the Transport Properties of Calcium‐Doped High Entropy Rare Earth Aluminates for Solid Oxide Fuel Cell Applications. Small, 20(34).
  Kante, Mohana V.; Nilayam, Ajai R. Lakshmi; Hahn, Horst; Bhattacharya, Subramshu S.; Elm, Matthias T.; Velasco, Leonardo & Botros, Miriam
  
• High-entropy materials for energy and electronic applications. Nature Reviews Materials, 9(4), 266–281.
  Schweidler, Simon; Botros, Miriam; Strauss, Florian; Wang, Qingsong; Ma, Yanjiao; Velasco, Leonardo; Cadilha Marques, Gabriel; Sarkar, Abhishek; Kübel, Christian; Hahn, Horst; Aghassi-Hagmann, Jasmin; Brezesinski, Torsten & Breitung, Ben
  
• Influence of Zr-doping on the structure and transport properties of rare earth high-entropy oxides. Journal of Physics: Energy, 6(3), 035001.
  Kante, Mohana V; Lakshmi Nilayam, Ajai R; Kreka, Kosova; Hahn, Horst; Bhattacharya, Subramshu S; Velasco, Leonardo; Tarancón, Albert; Kübel, Christian; Schweidler, Simon & Botros, Miriam
  
• Photonic Synthesis and Coating of High‐Entropy Oxide on Layered Ni‐Rich Cathode Particles. Small Structures, 5(11).
  Cui, Yanyan; Tang, Yushu; Lin, Jing; Wang, Junbo; Hahn, Horst; Breitung, Ben; Schweidler, Simon; Brezesinski, Torsten & Botros, Miriam
  
• Influence of In‐Doping on the Structure and Electrochemical Performance of Compositionally Complex Garnet‐Type Solid Electrolytes. Small Structures, 6(7).
  Alsawaf, Alaa; Karkera, Guruprakash; Diemant, Thomas; Kante, Monaha Veerraju; Schneider, Yannik; Velasco, Leonardo; Bhattacharya, Subramshu S.; Stainer, Florian; Wilkening, Martin; Clemens, Oliver; Janek, Jürgen; Hahn, Horst & Botros, Miriam
  
• Reducing Critical Raw Material Use in Commercial Solid Oxide Fuel Cells Using Vertically Aligned Thin‐Film Cathodes with Enhanced Long‐Term Stability. ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS, 8(4).
  Wells, Matthew P.; Kreka, Kosova; Kante, Mohana V.; Botros, Miriam; Celikbilek, Ozden; Ouweltjes, Jan Pieter; Baiutti, Federico; Fairclough, Simon M.; Ducati, Caterina; Tarancón, Albert & MacManus‐Driscoll, Judith L.