3d-Übergangsmetalloxide für die Anwendung als Elektrodenmaterialien

Projektbeschreibung:

a) Fe₂(MoO₄)₃besitzt eine 2.5 mal so hohe theoretische Kapazität, verglichen mit Graphit. Die offene anti-Nasicon Struktur von Fe₂(MoO₄)₃ ist gut geeignet für den Einbau von 2 Lithiumionen pro Formeleinheit. Morphologiedesign und die Einführung leitfähiger Kohlenstoffstrukturen können die Kapazität der Elektrode noch weiter erhöhen. Polyanionverbindungen, wie Fe₂(MoO₄)₃ können zudem hohe Spannungen liefern, was auf eine Polarisation der Fe-O-Bindung zurückzuführen ist, was das Redoxpotential von Fe₂+ / Fe₃+ herabsenkt. Problematisch für den Einsatz als Elektrode in Lithiumionenakkumulatoren sind die starken Volumenänderungen, die mit dem Lithiumeinbau verbunden sind. Die Interkalation erfolgt in zwei Stufen über LiFe₂(MoO₄)₃ und involviert eine Phasenumwandlung von monoklin nach orthorhombisch. Wird das Lithium durch Natrium ersetzt, ist der Interkalationsmechanismus aufgrund der unterschiedlichen Größe ein anderer, und die Umwandlung erfolgt einphasig ähnlich zu Solid-Solution-Ausbildung, mit leichten Strukturveränderungen, da das Natriumion gut in die Räume zwischen den Polyedern der Fe₂(MoO₄)₃-Struktur passt. Neben dem Einsatz als Anodenmaterial sind die Interkalationsverbindungen mit Lithium/Natrium auch als Kathodenmaterial anstelle von LiCoO₂ / Na_xCoO₂ interessant. Nanostrukturiertes Fe₂(MoO₄)₃ soll als Anoden- und Kathodenmaterial in Lithium- und Natriumionenbatterien untersucht werden. Dazu sollen Proben aus verschiedenen Synthesen mit unterschiedlicher Morphologie getestet werden, um den Einfluss der Partikelmorphologie herauszuarbeiten.

Kristallstruktur von Fe2(MoO4)3 und Foto des Pulvers

b) Neben der Problematik begrenzter Cobalt- und Lithiumvorkommen, die für Lithiumionenakkumulatoren verwendet werden, ist ein weiteres großes Problem für den Einsatz von Batterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen das hohe Gewicht im Vergleich zur relativ geringen Reichweite. Daher ist der Einsatz von Batterien mit hoher Energiedichte von Vorteil, um das Gewicht zu reduzieren. In diesem Zusammenhang sind vor allem Metall-Luft-Batterien von Interesse, da eine Halbreaktion die Umsetzung von Luftsauerstoff an einer porösen Elektrode umfasst. Besonders interessant ist der Einsatz von Eisen-Luft-Batterien, die ein Open-Circuit-Potential von 1.28 V besitzen. Eisen ist sowohl günstig, als auch in hohen Quantitäten vorhanden. Hohe Anforderungen werden allerdings an die positive Elektrode für die Sauerstoffseite gestellt. Es sind hohe Potentiale für die Sauerstoffentwicklung notwendig, unter denen die Elektrode elektrochemisch stabil sein muss, zum anderen muss sie sowohl die Sauerstoffentwicklung, als auch die –reduktion mit möglichst geringen Überpotentialen katalysieren können. Es besteht immer noch ein hoher Bedarf in der Entwicklung neuer Katalysatoren, da die bisher eingesetzten häufig Edelmetalle enthalten, oder nicht in der Lage sind beide Reaktionen effizient zu katalysieren. Als Übergangsmetallkatalysatoren können unter anderem Spinelle (häufig in Kombination mit Kohlenstoff) eingesetzt werden, wobei NiCo₂O₄ sich als besonders vielversprechend gezeigt hat. Auch andere Cobalt-enthaltene Materialien, wie Co₃O₄, haben teils hohe Stabilitäten und geringe Überpotentiale gezeigt. Die guten katalytischen Eigenschaften einiger Spinelle, wie z.B. CuCo₂O₄ in der Sauerstoffentwicklung und –reduktion machen diese interessant für die Anwendung als Elektrode in Metall-Luft-Batterien.
Hier sollen neue Cobalt-arme Spinell-Nanopartikel als Katalysatoren für die Anwendung in Luft-Batterien mittels wasserfreier Mikrowellensynthese hergestellt werden, die in der AG Marschall bereits etabliert ist. Dabei soll die Auswirkung unterschiedlicher Syntheseparameter untersucht werden. Die Zusammensetzung der entstehenden Spinelle soll systematisch variiert werden, um Mischoxidspinelle mehrerer Metalle zu erhalten, um die Effizienz in der Luftelektroden zu steuern.

Etablierte Mikrowellensynthese für Spinell-Nanopartikel der AG Marschall

Dieses Projekt ist an das Tandem Roth-Papastavrou angekoppelt.

Laufzeit: 3 Jahre

Arbeitsgruppenleitung:

Prof. Dr. Roland Marschall, Lehrstuhl für Physikalische Chemie III

Promovierende:

Judith Zander, M.Sc

Verantwortlich für die Redaktion: Dr. Matthias Daab