Nachwuchsgruppe „Anionen- und kationenleitende Elektrolyte für Festkörperbatterien“

 

Helmholtz-Institut Münster (HI MS), IEK-12, Forschungszentrum Jülich

Die Umsetzung der Energiewende und der Ausbau der Elektromobilität erfordern die Bereitstellung geeigneter Speichertechnologien für elektrische Energie. Im Helmholtz-Institut Münster arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Münster, des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen University, um neue Batterien für diese Anforderungen zu entwickeln.

 


Elektrolyte im Fokus

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Die Nachwuchsgruppe „Anionen- und kationenleitende Elektrolyte für Festkörperbatterien“ in Aachen arbeitet an der Untersuchung und Entwicklung von Festkörperelektrolyten mit Hilfe von computergestützten und experimentellen Methoden. Festkörperelektrolyte sind zentrales Element von Festkörper-Li-Ionen-Batterien sowie von Hochtemperatur-Batterien wie der wiederaufladbaren Oxid-Batterie. Wir sind insbesondere an der Beziehung zwischen Zusammensetzung, Struktur und Leitungseigenschaften interessiert sowie an der Aufklärung von Migrationsmechanismen und der Vorhersage der ionischen Leitfähigkeit.

 
 


Rechargeable Oxide Battery

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Ein Fokus liegt auf Batteriekonzepten mit sauerstoffleitenden Elektrolyten, wie z.B. der wiederaufladbaren Oxid-Batterie (Rechargeable Oxide Battery, ROB). Diese Art von Batterie bietet eine hohe Sicherheit, geringe Materialkosten und eine skalierbare Kapazität.
Die Energie ist hierbei in einer Redox-Masse aus Metall/Metalloxid gespeichert, welche über ein H2/H2O Shuttlegas mit einer elektrochemischen Zelle verbunden ist. Beim Laden der Batterie wird an der elektrochemischen Zelle Wasserdampf zu Wasserstoff umgesetzt, welcher das Metalloxid zum Metall reduziert. Beim Entladen wird dieser Prozess umgekehrt, das Metall wir durch Wasserdampf oxidiert und der entstehende Wasserstoff wird an der elektrochemischen Zelle umgesetzt.

 
 


Von der atomaren zur makroskopischen Ebene

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Berechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie ermöglichen die ab-initio Bestimmung von Energiebarrieren und Wechselwirkungsenergien von ionischen Defekten in Festkörpern. In Materialien mit hohen Defektkonzentrationen hängen die einzelnen Energiebarrieren aufgrund der Wechselwirkungen mit der Umgebung von der Position des betrachteten Defekts ab. Mit Hilfe der Kinetik Monte Carlo (KMC) Methode lassen sich die ionischen Leitfähigkeiten für solche Systeme auf Grundlage von ab-initio Energien simulieren. Dabei wird eine Reihe von zufälligen Sprüngen durchgeführt, deren Wahrscheinlichkeit von der jeweiligen Umgebung abhängt. Die Simulationen ermöglichen somit die Verbindung der Energien auf atomarer Skala mit der makroskopischen Leitfähigkeit abhängig von Zusammensetzung und Temperatur. Wir entwickeln und verwenden KMC Code, um die ionische Leitfähigkeit von Materialien vorherzusagen und den Einfluss verschiedener Wechselwirkungen zu untersuchen.

 
 


Dotiertes Ceroxid: Ein Sauerstoffionenleiter

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Dotiertes Ceroxid ist ein bekannter Sauerstoffionenleiter. Die Dotierung mit Seltenerdoxiden (z.B. Yttriumoxid) führt zur Bildung von Sauerstoffleerstellen, welche für eine hohe ionische Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen (um 500 °C) sorgen. Die ionische Leitfähigkeit hängt dabei nicht nur von der Anzahl der Leerstellen ab, sondern auch von den Wechselwirkungen der Leestellen untereinander sowie mit den Dotierungsionen. Diese Wechselwirkungen lassen sich in „Blocking“ (Erhöhung der Barriere in der Nähe einer Dotierung) und „Trapping“ (Assoziation der Leerstelle mit der Dotierung) unterteilen. Die Stärke der beiden Effekte bestimmt die Form der Leitfähigkeitskurve in Abhängigkeit vom Dotierungsgrad.

 
 


Zwischengittertransport in Apatiten

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La-Apatite der allgemeinen Zusammensetzung
La8+x B 2-ySi6O26+3/2x -y (wobei B zweiwertige Kationen sind) weisen eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit auf, vergleichbar mit der von dotiertem Ceroxid. Im Gegensatz zu Ceroxid verläuft die Ionenleitung dabei nicht über Sauerstoffleerstellen sondern über Zwischengitterionen. Lanthanionen bilden Kanäle für Sauerstoffionen in der Struktur in welchen Zwischengitterionen wandern können. Der Transport der Ionen erfolgt dabei über einen kooperativen ‚Interstitialcy‘-Mechanismus bei dem ein Zwischengitterion das nächste Ion von seinem regulären Platz stoßen kann.

 
 


Li-Leitung in NASICON

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NASICON (Na+ Super Ionic Conductor) Materialien können eine hohe Leitfähigkeit für Na+ und Li+ Ionen aufweisen und sind daher geeignet als Elektrolyte in Festkörperbatterien. In unserer Forschung untersuchen wir die Beziehung zwischen Zusammensetzung, Struktur und Leitfähigkeit dieser Materialien. Wir verwenden computergestützte und experimentelle Methoden, um Migrationsenergien und Leitfähigkeiten abhängig von der Zusammensetzung zu bestimmen.

 
 


Neuste Publikationen:

 


S. Grieshammer , S. Eisele, J. Koettgen, “Modeling Oxygen Ion Migration in the CeO2–ZrO2–Y2O3 Solid Solution”, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 18809–18817. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b04361

S. Grieshammer: “Influence of the lattice constant on defects in cerium oxide”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, DOI: 10.1039/C8CP03677B

A. Rossbach, F. Tietz, S. Grieshammer: “Structural and Transport Properties of Lithium-Conducting NASICON Materials”, J. Power Sources, 2018, 391, 1 9, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.059

J. Koettgen, S. Grieshammer, P. Hein, B. Grope, M. Nakayama, M. Martin: “Understanding the Ionic Conductivity Maximum in Doped Ceria: Trapping and Blocking”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 14291 - 14321, DOI: 10.1039/c7cp08535d

S. Grieshammer, M. Martin: “Entropies of defect association in ceria from first principles”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 29625 – 29628, DOI: 10.1039/c7cp03817h

S. Grieshammer, “Defect Interactions in the CeO2−ZrO2−Y2O3 Solid Solution”, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 15078-15084, DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b03507