Li2+2xCo1-xGeO4 als Kathodenmaterial

Der tägliche Bedarf und die Anforderungen an Akkumulatoren steigen ständig. Man denke an die Reichweite derzeitiger Elektroautos oder an die Zeitspanne bis zum nächsten Aufladen des Mobiltelefons. In beiden Fällen werden Lithiumionakkumulatoren (Lithiumakku) als Energiequelle verwendet. Um Anforderungen, wie etwa längere Fahrtwege zurückzulegen, erfüllen zu können, ist es notwendig neue Materialien für den Lithiumakku zu entwickeln Ein solches Material kann Li2+2xCo1-xGeO4 (0 = x 0.3) sein. Dieses Material weist äußerst interessante Eigenschaften bzgl. der Lithiumionenmobilität in der Verbindung auf. In Verbindung mit dem Element Cobalt (Co)kanndiesesMaterialals neue Verbindungsklassefür Lithiumionenakkumulatoren gesehen werden. Ziel dieser Arbeit ist es unterschiedliche Synthesemethoden zu entwickeln, um die Partikelgröße sowie die morphologie der phasenreinen Li2+2xCo1-xGeO4 Verbindungen zu kontrollieren. Um diese Eigenschaften überprüfen zu können, werden unterschiedliche Analysemethoden, wie etwa Pulverdiffraktometrie, Rastaelektronenmikroskopie oder Elementaranalysen durchgeführt. Im Weiteren werden die Materialien auf ihre elektrochemischen Eigenschaften getestet. Dabei sollen die Arbeitsspannung der Materialien sowie die Kapazität (Benutzerzeit pro Ladezyklus) bestimmt werden. Hierbei werden Zyklovoltammetrie sowie galvanostatische Messungen durchgeführt. Darüber hinaus wird das Diffusionsverhalten der Lithiumionen in den Li2+2xCo1-xGeO4 Verbindungen während des Ladens bzw. Entladens untersucht. Die besten Materialen werden dann in einem Akkumulator verbaut und auf ihre Langlebigkeit getestet. Der Antragssteller, Jürgen Schoiber, wird dieses Projekt im Rahmen des Erwin-Schrödinger- Stipendiums durchführen. Um den Zugewinn neuer Fähigkeiten zu sichern, sollen dabei die oben beschriebenen Vorgänge der elektrochemischen Charakterisierung spezifisch erforscht werden. Dies geschieht an der University of California, Los Angeles (UCLA), am Fachbereich für Materials Science and Engineering unter der Leitung von Herrn Prof. Bruce Dunn. Die erlernten Fähigkeiten sollen im Rahmen der Rückkehrphase an der Universität Salzburg am Fachbereich Chemie und Physik der Materialien in der Arbeitsgruppe von Frau Prof.in Nicola Hüsing implementiert werden.

Während dieses Forschungsprojekts wurde an Energiespeichermaterialien für Lithium-Ionen (Li-Ionen) und Natrium-Ionen (Na-Ionen) Akkumulatoren gearbeitet. Ziel dabei war es, Materialen zu entwickeln, die zum einen schnell geladen/entladen werden können und zum anderen hohe Energiedichten aufweisen. Somit wäre eine Brücke zwischen zwei kommerziell stark genutzten Energiespeichermedien, Kondensatoren und Akkumulatoren, geschlagen. Denn während Kondensatoren schnell (ent/ge)laden werden können aber eine niedrige Energiedichte aufweisen, haben Li/Na-Ionen Akkumulatoren eine weitaus höhere Energiedichte, können jedoch nicht so schnell (ent/ge)laden werden wie Kondensatoren. Während des Auslandaufenthaltes wurden Materialen (Li2+2xCo1-xGeO4) für Li-Ionen Akkus im Rahmen des Forschungsprojektes hergestellt und auf ihre elektrochemischen Eigenschaften getestet. Zur Mitte des Projektes stellte sich heraus, dass dieses Material die theoretischen Vorausetzungen der oben genannten Ansprüche zwar zu erfüllen, praktisch dieses Material jedoch keine Speichereigenschaften aufweist. Deshalb wurde eine anderes Material, nämlich Na2+2xFe2-x(SO4)3 (NFS), welches für Na-Ionen Batterien verwendet werden kann, für das Forschungsprojekt ausgewählt. Diese Verbindung wurde 2014 zum ersten Mal beschrieben und weißt die gewünschten Eigenschaften auf. Dementsprechend wurde ein Fokus auf die Bestimmung des Ionenspeichermechanismus gelegt, da dieser noch nicht detailliert untersucht wurde und versucht die Speichereigenschaften zu verbessern. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Material Natriumionen mit dem Verhalt eines Kondensators aufnimmt (Entladevorgang) bzw. abgibt (Ladevorgang) jedoch eine Energiemenge speichert die eines Batteriematerials gleicht. Weiters konnte gezeigt werden, dass durch Austausch einer bestimmten Menge an Fe (Eisen) im NFS-Material mit Mn (Mangan) oder Cu (Kupfer) dieses Verhalten noch verbessert werden konnte. Im Rahmen der Rückkehrerphase wurde Eisen zur Gänze mit Mangan ausgetauscht um das Material Na2+2xMn2-x(SO4)3 (NMS) zu erhalten. Der Grund dafür war, dass aus theoretischen Berechnungen (aus der Literatur bekannt) dieses Material eine Spannung von ca. 4,5 V aufweisen sollte, wohingegen NFS im Vergleich nur eine Spannung von 3,7 V aufweist und somit die Energiedichte erhöht werden würde. So wurden NMS Materialien hergestellt und in unterschiedlichen Setups getestet. Es konnte gezeigt werden, dass die Materialien zum Teil elektrochemisch aktiv sind. Eine vollständige Evaluation konnte jedoch in dieser Phase nicht durchgeführt werden.