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Institut für Angewandte Materialien (IAM-ESS)

Prof. Dr. Helmut Ehrenberg
Sekretariat: Frau Almut Kriese

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1

D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Tel.: +49 721 608-28501
Fax: +49 721 608-28521

E-Mail:

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Web:

www.iam.kit.edu/ess/

Festkörperelektrolyte

Festkörperelektrolyte
Ansprechpartner:

Dr. A. Senyshyn

Dr. S. Indris

Projektgruppe:

Funktionelle Kompositmaterialien

Förderung:

DFG

Partner:Prof. M.J. Hoffmann (KIT, IAM-KM), Prof. Chr. Elsässer (Uni Freiburg, FMF/IWM), Dr. A. Senyshyn (TU München) und Prof. H. Ehrenberg (KIT, IAM-ESS). 
Starttermin:

11/2013


 

fest

In wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien erfolgt der Ionentransport zwischen Anode und Kathode meist über Lithiumsalze, die in organischen Lösemitteln gelöst sind. Zwar wird auf diese Weise eine hohe Ionenleitfähigkeit realisiert, aber intrinsische Nachteile wie Toxizität und Brennbarkeit gehen mit Problemen wie mangelnder Temperaturstabilität und der Gefahr des Auslaufens im Schadensfall einher. Allerdings ist das Stabilitätsfenster der Flüssigelektrolyte aktuell die größte Hürde, um die nutzbaren spezifischen Energie- und Leistungsdichten von Lithiumionenbatterien zu steigern.

Falls es gelänge, die ionische Leitfähigkeit von anorganischen, festen Elektrolyten zu steigern und somit den Flüssigelektrolyten eventuell gänzlich durch einen Festkörper zu ersetzen, wäre dies ein großer Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit und könnte dadurch die Marktakzeptanz auch für mobile Anwendungen steigern. Darüber hinaus könnte auf den Separator verzichtet werden, das thermische Management würde vereinfacht bzw. es wäre möglich, die Batterie bei höheren Temperaturen zu betreiben, um beispielsweise die Performance zu erhöhen. Das sind nur einige Gründe, weshalb national und international an der Entwicklung Li-ionenleitender Festkörper geforscht wird.

 

Als Festkörperelektrolyte werden aktuell folgende Systeme in Betracht gezogen:

- Perowskite wie (Li,La)TiO3,

- Granate wie Li5La3MV2O12 bzw. Li7La3MIV2O12 (für vierwertige bzw. fünfwertige Übergangsmetalle MIV= Zr bzw. MV = Ta),

- Gläser und Glaskeramiken auf Basis von Lithiumnitriden, -sulfiden, -boraten, und -phosphaten; sowie Materialien aus der Gruppe der

- NZP bzw. LISICON wie LiMIV2(PO4)3 (MIV= Ti, Zr, Ge).

 

In diesem Projekt sollen keramische Festkörperelektrolyte mit potentiell hoher ionischer Leitfähigkeit bei gleichzeitig niedriger Elektronenleitfähigkeit identifiziert, hergestellt und charakterisiert werden. Theoretische Arbeiten sollen die experimentelle Suche nach geeigneten Materialien voranbringen. Daher sollen in Abhängigkeit von chemischen Zusammensetzungen und von Li-Konzentrationen Stabilitäten von Festkörperphasen sowie Pfade und Barrieren für die Ionenwanderung in Kristallstrukturen simulatorisch ermittelt werden. Hierfür sollen sowohl elektronentheoretische first-principles-Berechnungen mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie als auch atomistische Simulationen mit empirischen interatomaren Potentialen kombiniert werden. Unterstützt durch Methoden der statistischen Physik (Maximum-Entropie-Methode, MEM) werden die Lithiumdiffusionspfade mittels Neutronenbeugung experimentell bestimmt.