Nanostrukturierte Materialien für Energievorrichtungen
Verschiedene neue Batteriekonfigurationen sind vorgeschlagen worden, um höhere Energiedichten als die der neuesten Li-ion-Batterien zu erreichen. Diese neuen Batterien haben verschiedene Eigenschaften gemein. Reines Li-Metall wird als Anode verwendet, um die Energiedichte zu maximieren. Zusätzlich werden aufgrund derer geringen Kosten, derer hohen Zuverlässigkeit und dem sehr schnellen Ionentransport wässrige Lösungen als Katholyt angewandt. Die Anwendung von Feststoffelektrolyten ist dadurch begrenzt, dass diese nur bei mehr als 50 °C eine praktisch nutzbare Leitfähigkeit aufweisen. Dennoch liegen diese eine Größenordnung unterhalb der von Flüssigelektrolyten. Zur Beseitigung dieser Situation fokussierten Wissenschaftler deren Aufmerksamkeit auf nanostrukturierte Li-ion-leitende Materialien. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NANOLICOM (Nanostructured lithium conducting materials) schlossen sich Chemiker, Physiker und Werkstofftechniker zusammen, um die Auswirkungen der Korngröße und Kristallinität auf den Ionentransport in solchen Materialien zu untersuchen. Dies wurde über ein Austauschprogramm zwischen der EU und der Ukraine realisiert. Der erste Schritt bestand in der Erforschung verschiedener Syntheserouten für die Erstellung von Nanopulvern mit einer Korngröße zwischen 10 und 500 nm. Verschiedene sanfte Chemieprozesse einschließlich der in-situ-Methode für polymerisierbare Komplexe wurden erwogen. Anhand zahlreicher Experimente bestimmten die NANOLICOM-Wissenschaftler die besten Syntheseparameter, die zu gut kristallisierten und reinen Nanoteilchen führen. Zusätzlich wurden unter Anwendung von Spin-Coating-Verfahren und eines Hochfrequenz-Magnetron-Zerstäubungsbeschichtungsverfahrens Dünnfilme aus Li-leitenden Nanomaterialien entwickelt. Zur Erstellung dichter Keramiken unter Erhaltung der Nanostruktur des Pulvers verwendete das Team Sinterverfahren wie Niedrig-Temperatur-Sinterverfahren, Flash-Sintering-Verfahren und Spark-Plasma-Sintering (SPS)-Verfahren. Insbesondere das SPS-Verfahren als Instrument zur keramischen Verdichtung verringert im Vergleich zu anderen Methoden aufgrund einer Erhöhung des Korngrenzenvolumens die keramische Leitfähigkeit. Die Untersuchung wichtiger Faktoren, die sich auf die Leitfähigkeit von Keramiken oder Dünnfilmen aus Perowskiten, nasiconartigen Materialien und Lithiumphosphoroxynitriden auswirken, führte zu zahlreichen interessanten Ergebnissen. Die von den NANOLICOM-Partnern durchgeführte Forschungsarbeit ist in publizierten Papern und mündlichen Präsentationen auf internationalen Konferenzen beschrieben worden. Die Resultate liefern wertvolle Erkenntnisse zu der Beziehung zwischen ionischen Feststoffstrukturen und physikalischen Eigenschaften. Dies wird das rationale Entwerfen elektrochemischer Speicher- und Umwandlungsgeräte vereinfachen.
Schlüsselbegriffe
Nanostrukturierte Materialien, Lithium-Ion, Li-ion, leitendes Material, Energiedichten
