Ionenleiter unter Druck
Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aktuell gängige Lithium-Ionen-Akkumulatoren funktionieren unter Verwendung eines flüssigen Elektrolyten. Um jedoch kompaktere und leichtere Bauformen bei zugleich verminderter Brandgefahr zu ermöglichen, gelangen Feststoffbatterien mehr und mehr in den Fokus der Forschung. Die derzeitigen Langzeittests von Feststoffbatterien namhafter Unternehmen im Automobilbereich sind vielversprechend und erreichen bis zu 1.000 Ladezyklen, was einer Gesamtreichweite von 500.000 km entspricht. Sowohl während der Zellproduktion als auch beim Laden und Entladen sind die verwendeten Materialien Volumenänderungen und damit auch hohen Druckschwankungen ausgesetzt. Was unter verändertem Druck mit ionenleitenden Materialien passiert und welche neuen ionenleitenden Materialien unter Normal- und Hochdruck entstehen können, wurde in diesem Projekt untersucht. Dabei kam unter anderem eine 1000 t-Vielstempelpresse zum Einsatz. So zeigt zum Beispiel Lithiummolybdänsulfid, Li-MoS2 unter Druck eine erhöhte Kristallinität, sodass zum ersten Mal die Struktur anhand von Einkristalldaten aufgeklärt werden konnte. Zudem kann der Schichtabstand über die Wahl des Alkalimetalls eingestellt werden und nimmt von LiMoS2 über NaMoS2 hin zu KMoS2 linear zu. Bei einem bereits bekannten Ionenleiter Li6PS5Br (ein Li+-leitender Argyrodit) konnte mit zunehmendem Druck bis 10 Gigapascal (=100.000 bar) eine Verdopplung der Ionenleitfähigkeit festgestellt und mit einer zunehmenden Störung der Regelmäßigkeit der Kristallstruktur (= zunehmende Versetzungsdichten) korreliert werden. Während die Aktivierungsenergie unverändert bleibt, scheint sich der Bewegungsmechanismus zu verändern, da die Versetzungskerne vermutlich einen neuen Pfad für die Ionenbeweglichkeit ermöglichen. Ferner konnten in diesem Projekt als neue Verbindungen eine Hochtemperaturphase (HT) sowie eine Hochdruckphase von (HP) Cu1.8Sb5.4Se9, sowie eine Hochdruckphase von LiMoS2 kristallisiert und charakterisiert werden. Sowohl bei der Vorhersage von Strukturen als auch bei der Interpretation wurden Methoden der computergestützten theoretischen Chemie angewendet. Dabei erwies sich die Berechnung von Bindungsenergien auf Grundlage der Kristallstrukturen mit einem modifizierten Bindungsvalenzsummenansatz (BVS) als besonders hilfreich, um Aktivierungsenergien für Ionenleitung zu berechnen und Pfade der Ionenleitung in der Kristallstruktur zu visualisieren. Dies konnte erfolgreich an den Verbindungen HT- Cu1.8Sb5.4Se9, LiMoS2 sowie Li7Si2NO6 gezeigt werden. Darüber hinaus wurden die elektronischen Eigenschaften von HT- Cu1.8Sb5.4Se9 mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An Unexpected New Member of the Family of Lithium Oxonitridosilicates – Li7Si2NO6. European Journal of Inorganic Chemistry, 26(25).
Rießbeck, Kilian M.; Seibald, Markus; Schwarzmüller, Stefan; Baumann, Dominik & Huppertz, Hubert
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High-pressure/high-temperature synthesis of the first walstromite-analogue borate Tm2CrB3O9. Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials, 239(1-2), 27-33.
Teichtmeister, Tobias A.; Schwarzmüller, Stefan; Wurst, Klaus; Heymann, Gunter & Huppertz, Hubert
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High‐pressure/high‐temperature synthesis of Nd3B5O11(OH)2. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 650(1).
Teichtmeister, Tobias A.; Bernhart, Alexander Hugo; Schwarzmüller, Stefan; Wurst, Klaus & Huppertz, Hubert
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Pressure‐Assisted Synthesis of Highly Crystalline 1T′′‐LixMoS2. Chemistry – A European Journal, 30(5).
Schwarzmüller, Stefan; Wurst, Klaus; Heymann, Gunter & Huppertz, Hubert
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Pressure-Induced Dislocations and Their Influence on Ionic Transport in Li+-Conducting Argyrodites. Journal of the American Chemical Society, 146(2), 1710-1721.
Faka, Vasiliki; Agne, Matthias T.; Lange, Martin A.; Daisenberger, Dominik; Wankmiller, Björn; Schwarzmüller, Stefan; Huppertz, Hubert; Maus, Oliver; Helm, Bianca; Böger, Thorben; Hartel, Johannes; Gerdes, Josef Maximilian; Molaison, Jamie J.; Kieslich, Gregor; Hansen, Michael Ryan & Zeier, Wolfgang G.
