Open Access

Holger Kirchhain

• Die Lithium-Ionen-Batterie als kompakter Energiespeicher hat sich in kürzester Zeit bewährt und ist aus unserem täglichen Leben kaum noch wegzudenken. In nahezu jedem Bereich der Consumer-Elektronik stellt sie im Moment das Maß der Dinge dar. Doch gerade in den Bereichen Elektromobilität und dezentraler Energiespeicherung kommt die aktuelle Generation der Lithium-Ionen-Batterien schnell an ihre Grenzen. Bei den gewaltigen Energiemengen, die in diesen Anwendungen gespeichert werden, rückt zunehmend auch der Punkt der Sicherheit in den Fokus. Die flüssigen, organischen Elektrolyte, die in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, sind hierbei ein großer Schwachpunkt dieser Energiespeicher. Große Hoffnungen werden demzufolge in Feststoffbatterien gesetzt, d.h. Batteriekonzepte ohne flüssige Bestandteile und somit mit festem Elektrolyt. Hierzu wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl an potentiellen Kandidaten entwickelt und charakterisiert. Der ideale FeststoffelektrolytDie Lithium-Ionen-Batterie als kompakter Energiespeicher hat sich in kürzester Zeit bewährt und ist aus unserem täglichen Leben kaum noch wegzudenken. In nahezu jedem Bereich der Consumer-Elektronik stellt sie im Moment das Maß der Dinge dar. Doch gerade in den Bereichen Elektromobilität und dezentraler Energiespeicherung kommt die aktuelle Generation der Lithium-Ionen-Batterien schnell an ihre Grenzen. Bei den gewaltigen Energiemengen, die in diesen Anwendungen gespeichert werden, rückt zunehmend auch der Punkt der Sicherheit in den Fokus. Die flüssigen, organischen Elektrolyte, die in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, sind hierbei ein großer Schwachpunkt dieser Energiespeicher. Große Hoffnungen werden demzufolge in Feststoffbatterien gesetzt, d.h. Batteriekonzepte ohne flüssige Bestandteile und somit mit festem Elektrolyt. Hierzu wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl an potentiellen Kandidaten entwickelt und charakterisiert. Der ideale Feststoffelektrolyt wurde jedoch bisher nicht gefunden. Die Ansätze sind in diesem Bereich aber äußerst vielfältig und erstrecken sich von Polymeren über anorganische kristalline Materialien hin zu Gläsern. Die Festkörper-NMR-Spektroskopie erweist sich hierbei zunehmend als ideale Methode, um neue Feststoffelektrolyte hinsichtlich Struktur und Dynamik zu charakterisieren. In dieser Arbeit erfolgt eine umfangreiche Charakterisierung von elektrogesponnenen Polymerionenleitern auf Polyethylenoxid(PEO)-Basis mit verschiedensten Leitsalzen und dem Additiv Succinonitril (SN). Ziel ist hierbei, durch das in diesem Bereich innovative Elektrospinning-Verfahren eine deutliche Verringerung unerwünschter kristalliner Anteile und eine Verbesserung der ionischen Leitfähigkeit der Polymer-Elektrolyte zu erzielen. Des Weiteren werden neue, kristalline Lithium-Phosphidosilikate, -germanate und -aluminate erstmalig charakterisiert. Diese anorganischen Feststoffelektrolyte zeigen hierbei ionische Leitfähigkeiten, die bereits jetzt im Bereich etablierter oxidischer und sulfidischer Ionenleiter liegen. Abschließend wird die Entwicklung eines Hochtemperatur-Messsystems für NMR-Spektrometer auf Basis des induktiven Heizens beschrieben, mit Hilfe dessen sich hoch aufgelöste Spektren von Materialien bei Temperaturen von bis zu 1000 K aufnehmen lassen. Dies ermöglicht beispielsweise, die Aktivierungsenergien der langreichweitigen Lithiumdiffusion exakt zu bestimmen. Das System kommt gänzlich ohne teure, zusätzliche Spezialhardware aus und ist somit besonders für NMR-Labore interessant, die Hochtemperaturforschung aufgrund der damit verbundenen Kosten scheuen.…