Designkriterien zum Aufbau der Kristallstruktur von Zero-Strain-Kathodenmaterialien für Lithiumionenbatterien

• Antragsteller: Dr. Joachim Rudolf Binder; Professor Dr. Christian Elsässer
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424815519

Zero-Strain (ZS) Elektrodenmaterialien, bei denen die Be- und Entladung von Kristallstrukturen mit Lithiumionen ohne große Volumenänderungen erfolgen kann, sind für die Verbesserung der Lebensdauer von Lithiumionen¬batterien sehr attraktiv. Während Lithiumtitanat-Spinell, ein ZS-Anodenmaterial, trotz im Vergleich zum Graphit deutlich geringerer Energiedichte bereits in kommerziellen Batteriezellen eingesetzt wird, sind die derzeit bekannten ZS-Kathodenmaterialien noch ausschließlich von wissenschaftlichem Interesse. Es lassen sich anhand dieser Verbindungen jedoch noch keine offensichtlichen Parallelen im Kristallaufbau ableiten, aus denen auf ein ZS-Verhalten zu schließen und eine gezielte Darstellung von neuartigen ZS-Kathodenmaterialien möglich wäre. Mit dieser Problemstellung befasst sich der vorliegende Projektantrag: Gibt es kristallstrukturchemische Designkriterien für eine gezielte Entwicklung von ZS-Kathodenmaterialien? Was für strukturelle, chemische und mechanische Eigenschaften machen das Auftreten eines ZS-Effekts bei einem Lithiumionen speichernden Kristallsystem wahrscheinlich? Hierzu wird der Fokus auf den Mechanismus der Mischkristallbildung der zwei bekannten ZS-Materialien K0,6FeF3 und LiCaFeF6 gelegt. Bei beiden Strukturtypen können durch Substitution der Kationen fundamentale Erkenntnisse darüber gewonnen werden, welche strukturellen Änderungen den ZS-Effekt begünstigen bzw. kontraproduktiv sind. Dazu sind aufeinander abgestimmte experimentelle Materialsynthese und –charakterisierung am IAM in Karlsruhe sowie theoretische Materialmodellierung und –simulation am FMF in Freiburg beabsichtigt, um Stöchiometrie-Struktur-ZS-Eigenschaftsbeziehungen potentieller ZS-Kathodenmaterialien aufzuklären. Mit diesem Projekt sollen für Li+-Elektrodenmaterialien kristallstrukturchemisch wesentliche Voraussetzungen für ein ZS-Verhalten erkannt und erklärt werden, und idealerweise können dann anhand solcher Designkriterien neue ZS-Verbindungen gezielter herstellbar werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Holger Geßwein