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Bayerisches Zentrum für Batterietechnik (BayBatt)

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3d-Übergangsmetalloxide für die Anwendung als Elektrodenmaterialien

Projektbeschreibung:

a) Fe2(MoO4)3 besitzt 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 / NaxCoO2 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 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.

Mikrowellensynthese für Spinell-Nanopartikel

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: BayBatt Geschäftsstelle

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