Materialchemie Jürgen Schoiber und Raphael Berger Fachbereich Materialchemie Neue Kathodenmaterialien für Li-Ionen Akkumulatoren oder: Wie mache ich aus einem Bleistift, einem „Plastiksackerl“ und Dünger einen Akku?

Übersicht 1)Der Li-Ionen Akku 2)Funktionsweise eines Li-Ionen Akkus 3)Bestandteile 4)Kathodenmaterial 5)Entwicklungen an der Uni Salzburg 2

Li-Ionen-Akku  Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt  Portabler Energiespeicher  Erstmals eingesetzt von Sony in den 1990igern  Verwendung: Laptop, Mobiltelefon, Digicams, Tragbare Spielkonsolen, „Akkuschrauber“

4 Li + Li Al-FolieKathodenmaterial (KM)Cu-FolieAnodenmaterial (AM) Separato r Funktionsweise Elektrolyt

5 Li + Li Al-FolieKathodenmaterial (KM)Cu-FolieAnodenmaterial (AM) Separato r Funktionsweise Elektrolyt

Bestandteile  Kathodenmaterial Lithium-“Quelle“ (positive Elektrode)  Anodenmaterial Lithium-“Speicher“ (negative Elektrode)  Separator Zur Trennung der Elektroden  Elektrolyt um die Li-Ionen-Mobilität zw. Kathode und Anode zu gewährleisten Quelle: Google Bilder,

Bestandteile: Anode Cu-FolieAnodenmaterial (AM) Graphit-Anode (Kohlenstoff) Li

 Zum Trennen der beiden Elektroden, um einen Kurzschluss zu vermeiden  Li-Ionen durchlässig  Aus Polymer (PE, PP): biegsam, jedoch nur bis ca. 120 °C beständig  Keramisch: starr, beständig gegen höhere Temperaturen Bestandteile: Separator

 Li-Quelle  Fast immer oxidische Verbindung  Beinhaltet ein redoxaktives Übergangsmetall wie zB: Cobalt, Nickel, Mangan oder Eisen (Vanadium) Bestandteile: Kathode

Li + Al-FolieKathodenmaterial (KM) Sauerstoff Li-Schicht Co-Oktaeder Kathode: LiCoO 2 LiCoO 2 war das erste kommerziell genutzte Kathodenmaterial mit einer Spannung von 3.6 V

11 Kathodenmaterial: Zukunft Voraussetzungen:  Billig  Umweltfreundlich  Sicher Wird erreicht durch:  Herstellungskosten senken (Synthese der Materialien)  Austausch von Cobalt durch zB Mangan/Eisen, Elektrolyt  Entwicklung neuer Materialien

12 Kathodenmaterial: Zukunft Quelle: Google Bilder, Quelle: super-b/a40553.html, ( ) super-b/a40553.html Quelle: Google Bilder,

13 Kathode: LiMn 2 O 4 Sauerstoff 3D Li-Kanäle Mn-Oktaeder Findet Anwendung in E-Bikes sowie bei Hybrid- bzw. E-Autos (4 V) in Kombination mit LiNiO

14 Kathode: LiMPO 4 Sauerstoff 1D Li-Kanäle M-Oktaeder Phosphat- Tetraeder (PO 4 3- ) M = Ni, Co, Mn, Fe LiNiPO V LiCoPO V LiMnPO V LiFePO V

15 Uni Salzburg: LiMn 1-x Fe x PO LiMnPO 4 Dotieren mit Fe LiMn 1-x Fe x PO 4 Grund für das Dotieren:  Erhöht Li-Ionen-Leitfähigkeit im Material  Erhöht e - - Leitfähigkeit des Materials

16 Uni Salzburg: LiMn 1-x Fe x PO  Herstellung von LiMn 1-x Fe x PO 4  billige Ausgangschemikalien  Energie effizienter Syntheseweg  Vollständige Charakterisierung  (Elektrochemische Tests)

17 Uni Salzburg: LiMn 1-x Fe x PO nm 200 nm = cm

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