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Neue Wege zur schnellen Fluor-Ionenleitung in keramischen Festkörpern - erste Schritte zum Fluor-Ionen-Akkumulator

Dr. Andre Düvel

Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie
Leibniz Universität Hannover
Callinstr. 3A
30167 Hannover

Tel.: +49 511.762 - 3273
E-Mail: andre.duevelpci.uni-hannover.de

Kurzbeschreibung

Die Speicherung elektrischer Energie ist eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Diese soll auf möglichst kleinem Raum erfolgen, dabei sicher und kostengünstig sein. Angesichts dieser Zielsetzung könnte sich der bisher kaum erforschte Fluor-Ionen-Akkumulator als Alternative zu den derzeit zumeist verwendeten Lithium-Ionen-Akkumulatoren herausstellen. Fluor-Ionen-Akkumulatoren sollten naturgemäß sicherer betrieben werden können als Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Darüber hinaus ist eine größere Energiespeicherkapazität zu erwarten. Allerdings fehlen, neben probaten, gut zyklisierbaren Elektrodenmaterialen, noch geeignete Elektrolytmaterialien, also schnelle Fluor-Ionenleiter, zum Bau alltagstauglicher Fluor-Ionen-Akkumulatoren. Für die gezielte Synthese derartiger schneller, keramischer Fluor-Ionenleiter wird ein tiefergehendes Verständnis der verschiedenen Ursachen einer hohen Fluor-Ionenleitfähigkeit in diesen Materialien benötigt.

In diesem Vorhaben soll untersucht werden, ob die Fluor-Ionenleitfähigkeit eines in der Fluoritstruktur kristallisierenden, keramischen Fluorids, wie beispielsweise BaF2, durch die partielle Ersetzung der vorhandenen Kationenspezies durch eine gleichgeladene, andere Kationenspezies grundsätzlich erhöht werden kann. Eine Erhöhung der Fluor-Ionenleitfähigkeit ist für die in dieser Struktur kristallisierenden Fluoride Pb1-xCdxF2, Ca1-xSrxF2   und Ba1-xCaxF2 bereits beschrieben worden. Interessanterweise zeigen all diese Verbindungen ein Leitfähigkeitsmaximum bei x ≈ 0.5, was die Existenz einer gleichartigen Ursache der Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit in diesen nahelegt. Um zu überprüfen, ob es sich tatsächlich um ein generelles Prinzip handelt, sollen weitere, in der Fluoritstruktur kristallisierende, kationengemischte Fluoride, wie z. B. Ba1-xSrxF2 und Pb1-xBaxF2, analysiert werden. Darüber hinaus soll auch ein oxidisches System auf den vermuteten Effekt getestet werden. Die Leitfähigkeitserhöhung könnte unter anderem durch die Absenkung von Sprungbarrieren, die die Fluor-Ionen überwinden müssen um sich durch den Festkörper zu bewegen, bedingt sein. Diese wiederum könnte durch Gitterverzerrungen infolge der unterschiedlichen Ionenradien der beiden Kationenspezies verursacht werden. Dementsprechend soll die Mikrostruktur dieser Verbindungen, u.a. mittels Röntgenbeugung, Kernspinresonanz- (NMR) und Ramanspektroskopie ergründet werden. Die Bewegungsprozesse der Fluor-Ionen in diesen Verbindungen sollen mit Hilfe der Impedanz- und der NMR-Spektroskopie in Augenschein genommen werden. Das Verständnis der Ursachen der erhöhten ionischen Leitfähigkeit dieser Materialien könnte schließlich Wege zu einer gezielten Synthese bisher nicht bekannter, schneller Fluor-Ionenleiter oder auch anderer Anionenleiter eröffnen.

Laufzeit

10 Monate