Unsere Seite auf

Dissertationen
Linksammlung durchsuchen

 

Untersuchung der Gelbildung und der Ionenmobilität nach Zugabe von oxidischen bzw. nitridischen Nanopartikeln zu Ionischer Flüssigkeit

Rößer, Carola - Philipps-Universität Marburg (2014)


In der Batterieentwicklung werden zunehmend leicht flüchtige und entflammbare Flüssigelektrolyte durch form- und thermisch stabile Substanzen ersetzt. Aus sicherheitstechnischer Sicht eignen sich für diese Anwendung insbesondere ionenleitende Festkörper, die jedoch in der Regel eine schlechtere Leitfähigkeit aufweisen als Flüssigkeiten. Um die Vorteile beider Materialklassen zu kombinieren, werden vermehrt Quasi-Festelektrolyten untersucht. Ein Ansatzpunkt ist, thermisch und chemisch stabile Ionische Flüssigkeiten (ILs) durch die Zugabe von Nanopartikeln zu gelieren (Ionogel) und als Lösungsmittel für Leitsalze einzusetzen.

Die Verwendbarkeit von Ionogelen wurde bereits in Farbstoffsolarzellen und Lithiumionenbatterien unter Beweis gestellt. Im Mittelpunkt der aktuellen Forschung steht die Untersuchung des Gelbildungsprozesses, die daraus resultierende Mikrostruktur und deren Auswirkung auf die Ionenleitfähigkeit. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des Partikelmaterials anhand von SiO2 und Si3N4 Teilchen systematisch untersucht.

Zur Untersuchung des Grenzflächeneffekts wurde das viskoelastische Verhalten der Ionogele mit Hilfe kontinuierlicher und dynamischer Scherexperimente analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass bereits 3 Vol.-% von sowohl nitridischen als auch oxidischen Nanopartikeln ausreichen, um eine Gelstruktur auszubilden. Trotz dieser offenkundigen Übereinstimmung unterscheidet sich der Gelbildungsprozess der beiden Systeme jedoch grundlegend: Der Elastizitätsmodul in Abhängigkeit der Partikelkonzentration weist darauf hin, dass die nitridischen Ionogele diffusionslimitiert und die oxidischen reaktionslimitiert agglomerieren. Zudem erwiesen sich die oxidischen Gele als thixotrop.

Um die interpartikulären Wechselwirkungen abschätzen zu können, wurden Zetapotentialmessungen durchgeführt. Zunächst wurden dazu monodisperse SiO2-Partikel synthetisiert und deren Agglomerationsverhalten in Ethanol mit steigender EMI-TFSI Konzentration analysiert. In Kombination mit TEM-Aufnahmen wurde festgestellt, dass sich SiO2-Partikel in IL in einem Abstand von ca. 10 nm anordnen. Dieser Effekt wurde auf Solvatationskräfte zurückgeführt: Entsprechende Potentialkurven wurden berechnet und mit den rheologischen Eigenschaften der Ionogele verglichen.

Bei der Untersuchung des Ionentransports konnte der Trend der Gesamtleitfähigkeit in Abhängigkeit der Partikelkonzentration mit Hilfe der effective medium theory (EMT) beschrieben werden. Die Abweichung in den Absolutwerten deutet darauf hin, dass interpartikuläre Kräfte und Wechselwirkungen zwischen Ionen und Partikeloberfläche nicht zu vernachlässigen sind. NMR-Experimente ergaben, dass Wechselwirkungen bevorzugt zwischen Kationen und Oberflächenfunktionalitäten auftreten, wodurch die Kationen teilweise immobilisiert werden und damit nicht zur Leitfähigkeit beitragen können. Der immobilisierte Anteil ist in nitridischen Proben größer als in oxidischen Proben. Ein Vergleich der Diffusionskoeffizienten ergibt, dass alle Ionen bis auf die Lithiumspezies durch die Zugabe nitridischer Partikel stärker abgebremst werden als durch oxidische.


—> Volltext

Abonnieren:

Empfehlen: