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Ansprechpartner
Dr. Sonia Dsoke
Gruppenleiterin Materialsynthese für Energiematerialien

sonia dsokeIxt1∂kit edu

Tel.: 0721 608-28520

 

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DESIREE

Verbundvorhaben DESIREE

Materialsynthese für Energiematerialien

In-situ Synchrotrondiffraktion
In-situ Synchrotrondiffraktion für LiNi0.5Mn1.5O4 während des 1en Zyklus (jeweils Ladung-Entladung der Halbzellen mit metallischen Lithium als Anode mit C/2 Rate)
In-situ Synchrotrondiffraktion
In-situ Synchrotrondiffraktion für LiNi0.4Fe0.2Mn1.4O4 während des 1en Zyklus (jeweils Ladung-Entladung der Halbzellen mit metallischen Lithium als Anode mit C/2 Rate)

Durch Entwicklung spezieller Hochvolt-Kathodenmaterialien lässt sich die Energiedichte in Li-Ionen Batterien weiter erhöhen. Diese arbeiten oberhalb des sonst üblichen Potentials von 4V. Hochvolt-Spinelle wie LNMO (LiNi0.5Mn1.5O4) haben in den letzten Jahren wegen ihrer guten Zyklenstabilität und Strombelastbarkeit großes Interesse erregt. Die positiven Materialeigenschaften liegen in der guten Li-Ionen Leitfähigkeit entlang 3-diemensionaler Transportwege und der stabilen Spinellstruktur begründet. Durch Dotierung oder Substitution von LNMO mit weiteren 3d oder 4d Übergangsmetallen können physikalischen Eigenschaften wie die elektrische und ionische Leitfähigkeit zudem deutlich beeinflusst werden. Um die zugrunde liegenden Mechanismen verstehen zu können, ist es notwendig sowohl den Einfluss struktureller Defekte als auch der Verteilung der Dotierelemente zu verstehen. Da eine gezielte Dotierung die Li Einlagerung maßgeblich beeinflussen kann, ist es notwendig die strukturellen Vorgänge während der Lade-Entladevorgänge genau zu studieren. Die bevorzugten Untersuchungsmethoden sind hierfür in-situ und ex-situ Synchrotron- und Neutronenbeugung und die Röntgenabsorptionsspektroskopie.

Wegen ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte sind auch Komposit-Kathodenmaterialien mit Li-reichen (xLi2MnO3 (1-x)LiMO2, M=Mn, Ni, Co) und Spinellphasen (LiM2O4, M=Mn, Ni, Co, etc.) aussichtstreiche Kandidaten für zukünftige Li-Ionen Batterien. Während die Schichtstruktur der Li-reichen Phase für eine hohe Kapazität sorgt, trägt die Spinell-Phase zur hohen Belastbarkeit und Stromdichte des Gesamtsystems bei. Darüber hinaus können entsprechend dotierte Hochvolt-Spinelle die Arbeitsspannung und Energiedichte weiter erhöhen und ermöglicht eine maßgerechte Abstimmung von Hochenergie- und Hochleistungsbatterien. Diese Kompositmaterialien können auf verschiedenen Wegen wie Ko-Prezipitation oder einer Sol-Gel Route hergestellt werden. Um den Einfluss der unterschiedlichen Komponenten und Dotierungen auf das Verhalten einer daraus gefertigten Zelle zu untersuchen werden Röntgen- und Neutronenbeugung, TEM und elektrochemische Methoden angewandt.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Gruppe sind Konversions-Elektrodenmaterialien. Durch die Konversionsreaktion lässt sich prinzipiell eine hohe Kapazität erreichen, da das Li nicht mehr in die Struktur eingelagert wird sondern chemisch mit dem Anodenmaterial reagiert. Während des ersten Ladevorgangs wird die Struktur des Elektrodenmaterials zerstört (Konversionsreaktion) und es werden, im Falle von Metalloxiden, Metall-Nanopartikel in eine Matrix von Li2O eingebettet. Wegen der großen strukturellen und Volumenänderungen  ist der Kapazitätsverlust über die einzelnen Ladevorgänge hinweg üblicherweise sehr hoch. Um dem elektrischen Kontaktverlust entgegenzuwirken können die Metalloxid Partikel mit Kohlenstoff beschichtet werden. Diese Beschichtung  kann außerdem die großen Volumenänderungen während der Konversion teilweise kompensieren. Alternativ kann das Metalloxid-Kohlenstoff Material als Komposit hergestellt werden, wobei die genaue Morphologie und Mikrostruktur großen Einfluss auf die Leitfähigkeit und Zyklenstabilität hat.

Das Konzept der Natrium- und Magnesium Batterie ist ebenfalls sehr interessant, da beide im Vergleich zu Lithium leicht verfügbare Rohstoffe sind. Während Na-basierte Materialien schon seit längerem und umfänglich untersucht werden, steht die Untersuchung Mg basierter Systeme erst am Anfang. Der Ein/Ausbau von Mg2+ bei geeigneten Spannungen und Stromstärken ist hierbei die größte Herausforderung. Ein Grund hierfür ist die langsame Diffusion der Mg2+ Ionen verursacht durch die hohe Polarisation und des großen Ladung zu Radius Verhältnisses. Außerdem ist die Ladungsverteilung während der Ein-/Auslagerung komplizierter als in Li-basierten Systemen. In unserer Gruppe werden Mo und V basierte polyanionische Systeme als mögliche Kathodenmaterialien untersucht.


Gruppenmitglieder
Name Titel Tel. E-Mail
M.Sc. +49 721 608 28506 geethu balachandranDdk7∂kit edu
Dr. +49 615 116 21026 cordula braunApv0∂kit edu
M.Sc. +49 721 608 48093 qiang fuSmg2∂partner kit edu
Dr. +49 351 465 9297 daria mikhailovaYlh4∂kit edu
Dr. +49 721 608 49093 angelina sarapulovaJlx6∂kit edu
+49 721 608 41611 felix tholXqr2∂kit edu
M.Sc. +49 721 608 48093 ye yaoZsl0∂kit edu