Synthese und Charakterisierung von Feststoff-Natrium-Ionenleitern auf der Basis von Phosphido- Metallaten der Gruppen 3 bis 5 sowie 13 und 14

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas F. Fässler; Professor Dr. Leo van Wüllen
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565473508

Die Speicherung elektrischer Energie spielt eine zentrale Rolle beim Übergang zum Einsatz nachhaltigerer Energie¬quellen, wobei wiederaufladbare Festkörperbatterien einen wichtigen Fortschritt in der Batterietechnologie darstellen. Dem stetig steigenden Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien steht die begrenzte Li-Verfügbarkeit gegenüber, so dass nach alternativen Materialien gesucht wird. Natrium-Ionen-Batterien haben ähnliche elektrochemische Eigenschaften. Bei weltweit reichlich vorhandenen Natriumressourcen sind sie attraktive Opti¬on für skalierbare Energiespeichersysteme für stationäre Anwen¬dungen. Zur Realisie-rung schnelle Natriumionenleiter benötigt. Basierend auf umfangreichen Arbeiten der beiden antragstellenden Gruppen zur Erschließung der neuen Substanzklasse von Lithiumionen-leitenden Phosphido-Tetrelaten (Tt) und Trielaten (Tr) mit Tt = Si, Ge, Sn und Tr = Al, Ga, In zielt dieses Forschungsprojekt darauf ab, neue Verbindungen für neue, gute bis sehr gute Na-¬Ionenleiter zu finden und die Mechanismen der Na-Ionenleitung aufzuklären. Während oxidische und sulfidische Natriumionenleiter intensiv untersucht werden, sind bisher im System Na-Tt-P und Na-Tr-P nur wenig Verbindungen beschrieben. Insbesondere fehlen Verbindungen des einfachen Typs Na8TtP4 oder Na9TrP4, welche sehr einfache Baugruppen (tetraedrische Einheiten) aufweisen. Sie erlauben durch vielfältige Substitutionsmöglichkeiten eine schnelle Derivatisierung. Wie unsere Vorstudien belegen, besitzt ein erster Vertreter, Na8SnP4, eine sehr gute Na-Ionen-Leitfähigkeit. In diesem Antrag wird die Substanzklasse im System Na-M-P mit M = Tt, Tr und frühe Übergangsmetalle systematisch synthetisch erschlossen, wobei die Erfahrungen und Strukturanalogien der Li-Derivate, aber auch Analogien zu sulfidischen Vertretern herangezogen werden. Zur Synthese werden Kugelmahlverfahren und Hochtemperaturreaktionen eingesetzt. Pulver- und Einkristall-Röntgenbeugungsmethoden sowie temperatur-abhängige Synchrotron- und Neutronenbeugungsmethoden dienen zur Bestimmung der atomaren Struktur incl. möglichen Fehlordnungen der Kationen, die Minimum-Entropie-Methode sowie „Bond Valence Sums“ (BVS) Berechnungen, zur experimentellen und theoretischen Bestimmung der Ionen-Migrationspfade, temperaturabhängige Impedanzmessungen und statische 6Li-NMR-Spektroskopie zur Bestimmung der Leitfähigkeit und der Aktivierungsenergien. Vertiefte Methoden der Festkörper-NMR-Spektroskopie (u.a. Untersuchung der frequenzabhängigen statischen 23Na-NMR-Relaxationszeiten, MAS-NMR-Linienformanalyse und 2D-Austausch-NMR-Spektroskopie sowie Spin-Alignment-Echo-NMR-Spektroskopie) zur Bestimmung unterschiedlicher Korrelationszeitbereiche werden zur Charakterisierung der dynamischen Prozesse (Kationenbewegung, Anionen-Reorientierung) eingesetzt. Neben einem vertieften Verständnis über die Natriumion-Beweglichkeit, erwarten wir neue Natrium-Verbindungen, die sehr gute Ionen-Leitfähigkeits-Eigenschaften besitzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen