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Neue Elektrolytmaterialien

Ionenleitende Komplexe aus anorganischen Lithiumsalzen und festen Polymerelektrolyten mit hohem Molekulargewicht bilden eine sehr vielversprechende Materialklasse für Elektrolytmaterialen in Feststoffbatterien. Auf Polyethylenoxid (PEO) basierende Polymerelektrolyte bilden den Archetyp dieser Materialklasse und stellen auch heute noch die Mehrzahl der untersuchten Systeme. Als reine Feststoffelektrolyte erreichen diese Materialien unter ambienten Bedingungen bislang Ionenleitfähigkeiten bis zu 10-5Scm-1, eine weitere Optimierung ohne Einschränkungen bzgl. der mechanischen Eigenschaften oder der Umweltverträglichkeit bereitet jedoch Schwierigkeiten. In unserer Arbeitsgruppe suchen wir nach neuartigen Elektrolytmaterialien, in denen die sehr starke Koordination der Li-Kationen durch die Polyetherketten nicht das dominante lokale Koordinationsmotiv bildet. In solchen Systemen eröffnen sich für die Kationen prinzipiell neue Transportwege, die eine deutliche verbesserte Ionenleitfähigkeit nach sich ziehen können.

Nanokomposite: Die Zugabe von nanoskaligen anorganischen Keramikmaterialien (Al2O3, SiO2, TiO2, ...) führt in vielen Fällen zu einer deutlichen Verbesserung der Ionenleitfähigkeiten. In PEO basierten Kompositen lässt sich dieser Effket auf eine verringerte Kristallisationstendenz des Polymers durch die Anwesenheit der Keramikpartikel zurückführen. Häufig wird auch eine Wechselwirkung zwischen Li-Kationen (oder der Gegenionen) mit der Keramikoberfläche als Grund für die verbesserte Ionenleitfähigkeit ins Feld geführt. Diese neuen Koordinationsstellen für die Lithiumkationen (sowie deren Gegenanionen) an der Oberfläche der Keramikpartikel ermöglicht dann einen Leitfähigkeitsmechanismus, der nicht mehr ausschließlich durch die Segmentmobilität des jeweiligen Polymers vorgegeben ist. Der Nachweis einer solchen Wechselwirkung zwischen Li-Kationen und der Al2O3-Oberfläche in Polyphosphazenbasierten Nanokompositen gelang uns durch Anwendung der 1H-{7Li}CPMAS-{27Al}REAPDOR-NMR-Spektroskopie.

Polymer-in-Salz-Elektrolyte: Solche Systeme, in denen das Li-Salz die Hauptkomponente bildet, werden derzeit von uns intensiv untersucht. Die Ionen-Leitfähigkeiten der bislang entwickelten und charakterisierten Systeme (Li-Salz/PAN oder Li-Salz/PEO) liegen bei sehr vielversprechenden 5x10-4 Scm-1.

Hybridmaterialien: Hybridsysteme bieten den Vorteil, dass sich die unterschiedlichen Anforderungen (mechanische Stabilität, hohe Ionenleitfähigkeit), die ein Material allein nur schwer gleichzeitig erfüllen kann, auf die unterschiedlichen Komponenten des Hybridsystems verteilen lassen. Die von uns entwickelten SiO2-Glas / ionische Flüssigkeit - Li-Salz--Hybridsysteme, die sich in einer Eintopfsynthese unter in situ Generierung des SiO2-Gelglases in einem Sol-Gel-Prozess herstellen lassen, zeigen sehr vielversprechende mechanische Eigenschaften und weisen eine beachtliche Ionenleitfähigkeit (> 10-4 Scm-1 für die Li-Kationen) auf.

 

Für eine zielgerichtete Optimierung der Schlüsseleigenschaften der Materialien (hohe mechanische Stabilität und Flexibilität sowie sehr gute Ionenleitfähigkiet) bildet eine Kenntnis der strukturellen Details (Zahl der unterschiedlichen Phasen, Wechselwirkung der Ionen mit der Keramikoberfläche, Wirt-Gast-Interaktionen in den Hybridsystemen) und der Dynamik (Mechanismus des Ionentransports) eine wichtige Voraussetzung. Dazu werden zum einen die lokalen Koordinationsmotive der Kationen und Anionen in diesen neuen Elektrolytmaterialien durch den Einsatz einer Vielzahl unterschiedlicher moderner dipolarer Festkörper-NMR-Methoden aufgeklärt. Im Zusammenspiel mit den Untersuchungen zur Dynamik der Ionen, beispielsweise mittels hochaufgelöster temperaturabhängiger 6,7Li-1D-NMR-Spektroskopie, 6Li-2D-Austausch-NMR-Spektroskopie, PFG-NMR und EIS eröffnet sich dann die Möglichkeit, den Mechanismus des Ionentransports in den Polymerelektrolyten en detail nachzuzeichnen.