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Li 10 GeP 2 S 12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums

Li 10 GeP 2 S 12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums Von B. Sc. Niklas Cordes Dezember 2013. 1. Gliederung. Gliederung Einleitung und Motivation Li-Ionenleiter allgemein Darstellung von Li 10 GeP 2 S 12 Li 10 GeP 2 S 12 – Die Kristallstruktur

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Li 10 GeP 2 S 12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums

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Presentation Transcript

  1. Li10GeP2S12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums Von B. Sc. Niklas Cordes Dezember 2013 1

  2. Gliederung Gliederung Einleitung und Motivation Li-Ionenleiter allgemein Darstellung von Li10GeP2S12 Li10GeP2S12 – Die Kristallstruktur Leitfähigkeitsmessung Was ist das Besondere? Zusammenfassung und Ausblick 2

  3. Was ist die grundlegendste Frage im 21. Jhd. ?

  4. 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)

  5. 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] BMW i3 an Ladesteckdose[4] [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) 5

  6. Li-Ionenleiter allgemein LiCoO2 LiC6 [1] [5] Anorganische Chemie, Prinzipien von Struktur und Reaktivität, J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, 2012, Berlin. 6

  7. 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/GeVerhältnis [6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682. 7

  8. 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. 8

  9. Kristallstruktur • (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] [6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682. 9

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

  11. Leitfähigkeitsmessung Au - Li10GeP2S12 - Au  weil [6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

  12. 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 IonicCONductor) • 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. 12

  13. Zusammenfassung und Ausblick • „The discoveryof a new solid electrolyte will result in a widerangeof fundamental studies on ionicmobility in thebulk material…“[6] • Der Superionenleiter Li10GeP2S12zeigt 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. 13

  14. 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.

  15. Ich hoffe, dass ich Sie mit meinem Thema ein wenig elektrifizieren konnte… Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? 15

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