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Synthese und Charakterisierung von lithiumhaltigen Übergangsmetall-Phosphaten und -Vanadaten sowie von deren Mischkristallen

Clemens, Oliver - Universität des Saarlandes (2011)


Die Verbindungen LiMXO4 (M = Fe, Mn, Co, Ni; X = P, V) sind potentielle Kandidaten als Kathodenmaterialien für Lithiumionenbatterien. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Substitutionsreaktionen innerhalb dieser Verbindungsklassen untersucht. Hier stand insbesondere die Bildung von Phosphat-Vanadat-Mischkristallen im Blickpunkt, aber auch die Substituierbarkeit der Li-Ionen gegen entsprechende Ladungsäquivalente an M-Kationen wurde intensiv erforscht.

Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden einige neuen Phasen entdeckt und strukturell charakterisiert, darunter die Olivin-Typ-Materialien Li0.42-0.47Co1.29-1.265PO4, Li0.14-0.16Fe1.43-1.42PO4, die Hochtemperaturmodifikation von Mn1.5VO4 (isostrukturell dazu die Verbindungen LixMn1.5-x/2VO4 mit x < 0.22), zwei Modifikationen der Phase Mn20V4O32 und eine bislang unbekannte Verzerrungsvariante der Spinell-Struktur für LixCo1.5-x/2VO4 (0.5 ≤ x ≤ 0.7).

Quantenchemische Berechnungen beleuchten elektronische und kristallographische Strukturen ausgewählter Verbindungen und erlauben gleichzeitig die Bestimmung batteriecharakteristischer Kenngrößen (z. B. Zellspannung). EXAFS/XANES-Messungen ermöglichen insbesondere das Verständnis der ablaufenden Redox-Prozesse im Zuge der Syntheseversuche an "LiFeVO4", und zeigen, warum diese Verbindung als einphasiges Material nicht hergestellt werden kann. Impedanzspektroskopische Untersuchungen zeigten eine Erhöhung der Leitfähigkeit für Vanadat-dotiertes LiMnPO4 gegenüber LiMnPO4 um eine Größenordnung an.


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