Further Understanding and Development of Solid Lithium Electrolytes Based on Garnet-like Structure for Batteries and other Applications

• Applicant: Professor Dr. Werner Weppner
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2005 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5454554

Festkörper mit hohen Lithiumionen-Leitfähigkeiten, hohen elektrochemischen Zersetzungsspannungen (> 5 V vs. Li) und chemischen Stabilitäten gegenüber Reaktionen sowohl mit Anode als auch Kathode, insbesondere mit metallischem Lithium und Lithiummetall-Legierungen, sind die wichtigste Voraussetzung für die Entwicklung von Batterien mit hohen Energiedichten. Weiterhin sind feste schnelle Lithiumionenleiter auch für die Entwicklung von Elektrochromen Scheiben, Thermoelektrischen Konvertern, Superkondensatoren und chemischen Sensoren von großem technologischen Interesse. Die schnelle 3-dimensionale Lithiumionenleitung in Metalloxiden mit granatartigen Strukturen undd der nominellen Zusammensetzung Li5La3M2O12 (M = Nb, Ta) wurde erstmals vor etwa 4 Jahren in den Laboratorien des Antragstellers beobachtet. Die Tantal-Verbindung Li5La3Ta2O12 ist chemisch stabil gegenüber geschmolzenem Lithium, und die mit Erdalkaliionen dotierten granatartigen Verbindungen zeigen praktisch keine Korngrenzenwiderstände. Im Verlauf des gegenwärtigen Projekts konnte die Zahl der festen schnellen Ionenleiter mit granatartigen Strukturen wesentlich erweitert werden. Besonders die Substitution von Nb oder Ta durch Zr führte zur granatartigen Verbindung Li7La3Zr2O12, die leicht herzustellen ist und mit üblichen Anoden- und Kathodenmaterialien von Lithiumionen-Batterien chemisch stabil ist. Es ist zu erwarten, dass weitere chemische Modifikationen zur Bildung neuer granatartiger fester schneller Ionenleiter führen. Die dadurch bedingten Änderungen der Transporteigenschaften der Lithiumionen und der elektrochemischen Stabilität erlauben, die Beziehungen zwischen Struktur, chemischer Zusammensetzung und Ionentransport in Festkörpern zu studieren. Es wird auch vorgeschlagen, die Granate auf unterschiedliche Weise zu synthetisieren, um so die Volumen- und Korngrenzen- Widerstände besser zu verstehen und die strukturellen, thermischen und elektrischen Eigenschaften sowie die Phasenbeziehungen zu analysieren. Es wird erwartet, dass die vorgeschlagenen Untersuchungen zu neuen Materialien für umweltfreundliche Energiewandler und –speicher führen.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Persons: Professor Dr. Ramaswamy Murugan; Professor Dr. Venkataraman Thangadurai