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Li10GeP2S12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter

Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums

Von B. Sc. Niklas Cordes

Dezember 2013

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Gliederung

Gliederung

1. Einleitung und Motivation

2. Li-Ionenleiter allgemein

3. Darstellung von Li10GeP2S12

4. Li10GeP2S12 – Die Kristallstruktur

5. Leitfähigkeitsmessung

6. Was ist das Besondere?

7. Zusammenfassung und Ausblick

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Was ist die grundlegendste Frage im 21.

Jhd. ?

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Energieversorgung - Energiewende - Energieerzeugung –

Energieverbrauch - Energiespeicherung - Regenerative

Energie – chemische Energie

Vorstellung einer Lösungsstrategie![1] http://geology.com/articles/night-satellite/satellite-view-of-earth-at-night.jpg (22.11.2013)

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Einleitung und Motivation

Von A wie Akkuschrauber bis Z wie ziemlich

schnelles Auto

• Batterien = Schlüsseltechnologie

• Lastausgleich für regenerative Energien

• Tragbare Geräte

• Elektromobilität[2]

Im BMW i3 sind 96 Zellen in 8 Modulen verbaut

Li-Akku in Flachbauweise[3]

[2] N.-S. Choii, et al., Angew. Chem. 2012, 124, 10134. [3] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/Fujifilm_lithiumion_battery.jpg (28.11.2013)[4] http://www.bmwblog.com/wp-content/uploads/BMW-i3-1.jpg (28.11.2013)

BMW i3 an Ladesteckdose[4]

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Li-Ionenleiter allgemein

[1]LiCoO2 LiC6

[5] Anorganische Chemie, Prinzipien von Struktur und Reaktivität, J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, 2012, Berlin.

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Darstellung von Li10GeP2S12

Darstellung von Li10GeP2S12 durch stöchiometrische

Reaktion[4] von

Li2S, Ge2S und P2S5 bei 550°C in einer evakuierten Quarzampulle

Typische Festkörperreaktion

Analytik

Synchrotron XRD + Rietveldverfeinerung

Neutronen Diffraktometrie leichte Atome

ICP Spektroskopie P/Ge Verhältnis

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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Kristallstruktur

Ausschnitt aus der Kristallstruktur

des 3D-Netzwerkes von

Li10GeP2S12[4]

- Tetragonal

- Raumgruppe: P42/nmc

- Mit drei unterschiedlichen

Li-Positionen (Besetzungsfaktor

Li(1) 0.691(5) und Li(2)

0.643(5))

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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- (Ge0.5P0.5)S4-Tetraeder sind mit LiS6-

Oktaedern über Ecken verknüpft und bilden

Ketten entlang c

- Ketten über PS4-Tetraeder miteinander

verbunden

- PS4-Tetraeder mit LiS6-Oktaedern über

gemeinsame Ecken verknüpft[6]

Kristallstruktur

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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- Li-Ionenleitung über eckenverknüpften

LiS4-Tetraedern entlang c

Li10GeP2S12 als 1D-Lithiumionenleiter

- 2/3 der Li-Positionen (Wyckoff: 16h und 8f)

nehmen an Li-Ionenleitung teil[6]

- Besetzungsfaktor typisch für Li-Ionenleiter

Kristallstruktur

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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weil

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

Leitfähigkeitsmessung

Au - Li10GeP2S12 - Au

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Was ist das Besondere?

- Bisher beste Ionenleitfähigkeit 10-2 S cm-1

- Hohe Li-Ionenleitfähigkeit von 12 mS cm-1 bei RT in Li10GeP2S12

- Superionenleiter! (SICON ≡ Super Ionic CONductor)

- Starke Temperaturabhängigkeit:

- 1.00 mS cm-1 bei -30 °C

- 0.45 mS cm-1 bei -45 °C

- Erster Li-Ionenleiter mit gleicher / besserer Leitfähigkeit als

flüssige organische Systeme

- Hohe thermische und chemische Stabilität Sicherheit

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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Zusammenfassung und Ausblick

„The discovery of a new solid electrolyte will result in a wide range of fundamental studies on ionic mobility in the bulk material…“[6]

Der Superionenleiter Li10GeP2S12 zeigt eine extrem hohe Lithiumionenleitfähigkeit und übertrifft bisherige Materialien

Grundlagenforschung am Ionenleiter Neue leistungsfähigere Batteriesysteme für zahlreiche

Anwendungen wie energy-storage und Elektromobilität

[6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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Quellen

• [1] http://geology.com/articles/night-satellite/satellite-view-of-earth-at-night.jpg (22.11.2013)

• [2] N.-S. Choii, Z. Chen, S. A. Freunberger, X. Ji, Y.-K. Sun, K Amine, G. Yushin, L. F. Nazar, J. Cho, P. G. Bruce, Angew. Chem. 2012, 124, 10134.

• [3] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/Fujifilm_lithiumion _battery.jpg (28.11.2013)

• [4] http://www.bmwblog.com/wp-content/uploads/BMW-i3-1.jpg (28.11.2013)

• [5] Anorganische Chemie, Prinzipien von Struktur und Reaktivität, J. E Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, 2012, Berlin.

• [6] N. Kamaya, K. Homma, Y. Yamakawa, M. Hirayama, R. Kanno, M Yonemura, T. Kamiyama, Y. Kato, S. Hama, K. Kawamoto, A. Mitsui, Nat. Mater. 2011, 10, 682.

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Ich hoffe, dass ich Sie mit meinem Thema ein wenig elektrifizieren konnte…

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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