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1 Li 10 GeP 2 S 12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums Von B. Sc. Niklas Cordes Dezember 2013.

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1 1 Li 10 GeP 2 S 12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums Von B. Sc. Niklas Cordes Dezember 2013

2 2 Gliederung 1.Einleitung und Motivation 2.Li-Ionenleiter allgemein 3.Darstellung von Li 10 GeP 2 S 12 4.Li 10 GeP 2 S 12 – Die Kristallstruktur 5.Leitfähigkeitsmessung 6.Was ist das Besondere? 7.Zusammenfassung und Ausblick

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

4 4 Energieversorgung - Energiewende - Energieerzeugung – Energieverbrauch - Energiespeicherung - Regenerative Energie – chemische Energie Vorstellung einer Lösungsstrategie! [1] ( )

5 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] [2] N.-S. Choii, et al., Angew. Chem. 2012, 124, [3] ( ) [4] ( ) BMW i3 an Ladesteckdose [4]

6 6 Li-Ionenleiter allgemein [1] LiCoO 2 LiC 6 [5] Anorganische Chemie, Prinzipien von Struktur und Reaktivität, J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, 2012, Berlin.

7 7 Darstellung von Li 10 GeP 2 S 12 Darstellung von Li 10 GeP 2 S 12 durch stöchiometrische Reaktion [4] von Li 2 S, Ge 2 S und P 2 S 5 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.

8 8 Kristallstruktur Ausschnitt aus der Kristallstruktur des 3D-Netzwerkes von Li 10 GeP 2 S 12 [4] -Tetragonal -Raumgruppe: P4 2 /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.

9 9 -(Ge 0.5 P 0.5 )S 4 -Tetraeder sind mit LiS 6 -Oktaedern über Ecken verknüpft und bilden Ketten entlang c -Ketten über PS 4 -Tetraeder miteinander verbunden -PS 4 -Tetraeder mit LiS 6 -Oktaedern über gemeinsame Ecken verknüpft [6] Kristallstruktur [6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682.

10 10 -Li-Ionenleitung über eckenverknüpften LiS 4 -Tetraedern entlang c Li 10 GeP 2 S 12 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.

11 11 [6] N. Kamaya, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 682. Leitfähigkeitsmessung Au - Li 10 GeP 2 S 12 - Au

12 12 Was ist das Besondere? -Bisher beste Ionenleitfähigkeit S cm -1 -Hohe Li-Ionenleitfähigkeit von 12 mS cm -1 bei RT in Li 10 GeP 2 S 12 - Superionenleiter! (SICON Super Ionic CONductor) -Starke Temperaturabhängigkeit: mS cm -1 bei -30 °C 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.

13 13 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 Li 10 GeP 2 S 12 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.

14 14 Quellen [1] ( ) [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, [3] _battery.jpg ( ) [4] ( ) [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 15 Ich hoffe, dass ich Sie mit meinem Thema ein wenig elektrifizieren konnte… Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen?


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