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Li10GeP2S12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter

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Präsentation zum Thema: "Li10GeP2S12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter"—  Präsentation transkript:

1 Li10GeP2S12 – ein neuer Lithium-Ionenleiter
Vortrag im Rahmen des AC-F-Praktikums Von B. Sc. Niklas Cordes Dezember 2013 Danke Hr. Begrüßung, ganz herzlich auch Hr. Prof. Dr. Schnick, der mein Thema betreut Themavorstellung Ich bin Niklas Cordes und werde Ihnen heute etwas über den neuen vielversprechenden Lithiumionenleiter Li10GeP2S12 erzählen 1

2 Gliederung Gliederung Einleitung und Motivation
Li-Ionenleiter allgemein Darstellung von Li10GeP2S12 Li10GeP2S12 – Die Kristallstruktur Leitfähigkeitsmessung Was ist das Besondere? Zusammenfassung und Ausblick Zuerst möchte ich kurz auf die Gliederung eingehen, die Sie durch meinen Vortrag begleitet. Ich werde mit einer kleinen Einleitung und der Motivation zu meinem Thema beginnen und weiterhin kurz auf Lithiumionenleiter eingehen Danach werde ich konkret den neuen Lithiumionenleiter Li10GeP2S12 vorstellen, dazu gehe ich auf Darstellung, Analytik und insbesondere die Kristallstruktur ein. Auf die Leitfähigkeitsmessungen die einen Ionenleiter ausmache komme ich dann zu sprechen. Insbesondere auf die Besonderheiten dieser Verbindung Letztlich werde ich alles mit einer Zusammenfassung abrunden und einen Ausblick mit auf den Weg geben. 2

3 Was ist die grundlegendste Frage im 21. Jhd. ?
Ich möchte Sie fragen, das die grundlegendste Frage im 21. Jhd ist!?

4 Vorstellung einer Lösungsstrategie!
Ich hoffe Sie geben mir recht, dass es vor allem um die Frage der Energie geht. In der Politik geht es um die Energiewende. Man will in Zukunft die Energieversorgung ökologischer mit regenerativen Energien sicherstellen. In der Chemie redet man häufig von chemischer Energie. Deshalb möchte ich Ihnen eine Lösungsstrategie vorstellen. Energieversorgung - Energiewende - Energieerzeugung – Energieverbrauch - Energiespeicherung - Regenerative Energie – chemische Energie Vorstellung einer Lösungsstrategie! [1] ( )

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] Akkumulatoren sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken und wir bezeichnen Sie als Schlüsseltechnologien. Sie sind in nahezu allen tragbaren Geräten verbaut und sollen als Lastausgleich für regenerative Energien dienen. Zum Beispiel in Form von Elektrofahrzeugen. BMW i3 an Ladesteckdose[4] [2] N.-S. Choii, et al., Angew. Chem. 2012, 124, [3] ( ) [4] ( ) 5

6 Li-Ionenleiter allgemein
Wie funktioniert ein üblicher Lithiumionenakku? Im festen Ionen LiCoO 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/Ge Verhältnis [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 𝟏 𝑻 [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 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. 12

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 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. 13

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


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