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Projekt
Untersuchung der Phasenbildung und Phasenkonstitution in den Systemen Li-Mg-Al-O und Li-Al-Mn-O unter besonderer Berücksichtigung von Spinell-Mischkristallen
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Alfred Ludwig; Dr. Thomas Schirmer
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470309740
Unsere früheren Arbeiten haben gezeigt, dass neben LiAlO2 auch Li-Manganate (z. B. LiMnO2 oder Li2MnO3) vielversprechende EnAM-Phasen sind, die in synthetischen Schlacken mit hoher Reinheit auskristallisieren. Es wird erwartet, dass die Bildung von Li-Manganaten durch die Steuerung des Mn-Oxidationszustands reguliert werden kann, d. h. durch die Verhinderung der Bildung von Mn-haltigen Spinellen, indem die Mn4+- statt der Mn2+/3+-Speziationen durch die Prozessbedingungen stabilisiert werden. Darüber hinaus sind Li-Manganate für die direkte Wiederverwendung als Kathodenmaterial in Li-Ionen-Batterien interessant. Die Fortsetzung unseres gemeinsamen Projekts wird sich daher auf die Erforschung der Möglichkeiten von Li-Manganaten als neue EnAM-Phasen konzentrieren und darauf, wie ihre Bildung mit der Bildung von LiAlO2 korreliert. Kombinatorische Dünnschicht-Materialbibliotheken der ternären und quaternären Teilsysteme Li-M1-M2-O, mit M1, 2 = Mn, Al, Mg, Fe, werden durch Kathodenzerstäubung (sputter deposition) hergestellt und mit Hochdurchsatzmethoden untersucht, um die Phasenbildung der Systeme zu studieren, insbesondere um alle möglichen Li-Manganate in Abhängigkeit der Mn-Speziation zu erfassen. Die Bildung der Verbindungen, die als potenziell geeignete EnAM-Phasen (vermutlich Li-Manganate) identifiziert wurden, wird dann in synthetischen Schlacken mit zusätzlichen Elementen wie Si und Ca untersucht. Synthetische Schlackenproben werden bei verschiedenen O2-Partialdrücken hergestellt und mittels Röntgenbeugung, Elektronensondenmikroanalyse, Massenspektrometrie im Nanomaßstab und Thermoanalyse untersucht. In Verbindung mit einer thermodynamischen Modellierung werden diese experimentellen Ergebnisse einen Einblick in das Erstarrungsverhalten von Li-Manganaten in Ca-Silikat-Schlacke und in Anwesenheit geringer Anteile an Nebenkomponenten (Kontaminationen) wie Mg und Al geben und dazu beitragen, die Abkühlkurven für eine maximale Bildungsrate und eine günstige Kornmorphologie und -größe zu optimieren. Zusätzlich zu den Ca-Silikat-Schlacken werden fayalitische Schlacken (Fe2SiO4-dominiert) untersucht, da sie wegen ihres Potenzials, den Sauerstofftransport in die Schmelze deutlich zu erhöhen, den verfügbaren Sauerstoff in der Schmelze maximieren, was zur besseren Oxidation des Mn in der Schmelze führen sollte (z.B. bei der Stabilisierung von Mn4+). Um die Eignung der in den synthetischen Schlacken- und Dünnschichtproben gebildeten Li-Manganate für die direkte Wiederverwendung als Kathodenmaterial in Li-Ionen-Batterien zu bewerten, wird die Nanostruktur ausgewählter Proben zusätzlich mit Hilfe der aberrationskorrigierten Transmissionselektronenmikroskopie und der Atomsondentomographie untersucht. Alle Ergebnisse zusammen werden einen besseren Einblick in die Stabilität von Li-Manganaten, ihre Eigenschaften und ihre Rückgewinnbarkeit aus lithiumhaltigen Schlacken ermöglichen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
