Leitungs- und Diffusionseigenschaften Alkali-Ionen-leitender NASICON-Materialien für den Einsatz in Festkörperbatterien

  • Conduction and diffusion properties of Alkaline-ion conducting NASICON materials for the application in solid state batteries

Roßbach, Andreas; Martin, Manfred (Thesis advisor); Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Materialien mit NASICON-Struktur sind eine vielversprechende Klasse von Festkörper-Ionenleitern für die Anwendung in elektrochemischen Speichern. Die Kristallstruktur ermöglicht eine hohe Stabilität und Flexibilität und eine Vielzahl von Zusammensetzungen. Eine Analyse der Literaturdaten Lithium-Ionen-leitender NASICON-Materialien ergab die höchsten ionischen Leitfähigkeiten für Zusammensetzungen der Formel Li1+xMx(III)Ti2-x(PO4)3 mit 0.3 ≤ x ≤ 0.5 und hexagonaler R¯3c-Struktur. Zusätzlich konnte der große Einfluss von Mikrostruktur und Phasenchemie auf die Leitfähigkeitgezeigt werden. Es wurde Li1+xMx(III)Ti2-x(PO4)3(M(III)= Al, Cr, Fe; 0.5 ≤ x ≤ 2.0) mit zwei aktuellen Syntheserouten hergestellt und die Proben in Bezug auf Dichte, Stöchiometrie und Phasenchemie charakterisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf Untersuchungen zur Leitfähigkeit des polykristallinen Materials mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie. Die skalierbaren Syntheserouten ermöglichen vergleichbare Materialqualität zu den bisher bekannten Methoden, die kategorisch auf den Labormaßstab beschränkt oder großtechnisch nicht kosteneffizient sind. Zusätzlich wurde der Frage nach einer eventuell erhöhten Sauerstoffmobilität in NASICON nachgegangen. Dazu wurden 18O-Sauerstoffaustauschexperimente mit anschließender Tiefenprofilierung durch Sekundärionen-Massenspektrometrie an Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3 und Na3.4Zr2(PO4)0.6(SiO4)2.4 durchgeführt. Dabei zeigten sich bezüglich gewählten Methode neue, materialspezifische Herausforderungen. Die Ergebnisse erlauben eine erste Einordnung und zeigen keine ungewöhnlich hohe Sauerstoffmobilität in den dedizierten Alkali-Ionen-Leitern.

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