Ausgezeichnete Veröffentlichung

Eine Arbeit, in der Lithiumtellurid und Lithiumselenid am MLZ auf ihre superionischen Eigenschaften untersucht wurden, hat im Journal „Solid State Ionics“ den Preis für die beste Veröffentlichung des Jahres 2018 gewonnen. Diese Materialien könnten in Elektroden von Lithiumionenbatterien Anwendung finden. Die Arbeit zeichnet sich vor allem durch ihre Ausführlichkeit und ihren didaktischen Aufbau aus und liefert wichtige Einblicke in die Funktionsweise der Ionenleitung dieser Materialien.


Dr. Markus Hölzel (r.), Instrumentwissenschaftler am SPODI, und Dr. Julius Schneider von der Ludwig-Maximilians-Universität München an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München © Wenzel Schürmann/ TUM

Superionisches Verhalten von Lithiumselenid und Lithiumtellurid ab circa 780 °C bezeihungsweise 600 °C. © M. Hölzel, FRM II/TUM

Es ist ein sonniger Juliabend in München, keine Wolke ist am Himmel zu sehen. Während sich die Sonne langsam über die Innenstadt senkt, lassen die Münchener den Tag im Hofgarten in ausgelassener Stimmung abklingen. Mitten unter ihnen haben sich Dr. Julius Schneider, Dr. Markus Hölzel, Dr. Thorsten Schröder, Prof. Dr. Wolfgang Schmahl und Prof. Dr. Oliver Oeckler niedergelassen. Sie haben einen besonderen Grund zur Freude: „Wir möchten diesen außergewöhnlichen Preis gerne auf Münchner Art feiern“, erklärt Julius Schneider lächelnd.

Er ist Hauptautor der Arbeit "Phase transitions to superionic Li2Te and Li2Se - a high temperature neutron powder diffraction study, atom displacements, probability density functions and atom potentials", an der auch die anderen vier Wissenschaftler und ein weiterer Kollege von der Ludwig-Maximlians-Universität München, der Universität Leipzig und der Technischen Universität München mitgearbeitet haben. Das Fachmagazin Solid State Ionics hat sie jetzt zur besten Veröffentlichung des Jahres 2018 gekürt. Die Auszeichnung ist mit einem Preisgeld von dreitausend Dollar versehen.

Wieso diese Arbeit ausgezeichnet wurde? „Das liegt vielleicht an der Ausführlichkeit, in welcher die Datenauswertung beschrieben ist“, sagt Markus Hölzel. Er ist Instrumentwissenschaftler am Pulverdiffraktometer SPODI am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, an dem die Messungen durchgeführt worden sind. „Es scheint sehr gut angekommen zu sein, dass wir sehr genau auf unsere Methode eingegangen sind. Die gemessenen Daten haben wir zunächst ohne Modell beschrieben. Daraus haben wir die Profilparameter für den nächsten Fit bestimmt, bei dem wir ein sehr rudimentäres Modell angenommen haben. Stück für Stück haben wir das Modell erweitert, indem wir die neu gewonnenen Parameter einfließen ließen. Dabei haben wir jeden Schritt sehr genau beschrieben und schließlich verschiedene Modelle detailliert verglichen“, erklären Julius Schneider und Markus Hölzel abwechselnd weiter. „Der didaktische Aufbau hat dem Komitee wohl sehr gefallen.“

Aber worum geht es in der Arbeit? Auf der Suche nach neuen Batteriematerialien mit hoher Energiedichte sind Lithiumselenid und Lithiumtellurid Gegenstand aktueller Forschung.

Die Kristallstrukturen dieser Materialien bestehen aus einem Gitter von positiv geladenen Teilchen (Lithium-Kationen) und negativ geladenen Teilchen (Selen- bzw. Tellur-Anionen).

Die Lithiumionen können mit Hilfe von Ionenfluss Ladung im Kristall transportieren. Lithiumselenid (Li2Se) und Lithiumtellurid (Li2Te ) zeigen bei hohen Temperaturen ein sogenanntes superionisches Verhalten. Die strukturellen Veränderungen, die dabei passieren müssen, hat Julius Schneider mit seinen Kollegen an Pulverproben von Lithiumselenid (Li2Se) und Lithiumtellurid (Li2Te) mit Neutronenbeugung am Instrument SPODI untersucht. Hierbei machte man sich die Vorteile der Neutronenbeugung zur Lokalisierung der Lithiumionen und zur Aufklärung thermischer Schwingungen der Atome zu nutze. Das superionische Verhalten setzt bei diesen Verbindungen erst bei sehr hohen Temperaturen ein (ab ca. 600°C bei Li2Te und ca. 780°C bei Li2Se). Ab diesen Temperaturen steigt die thermische Bewegung des Lithiums sehr schnell an, sodass es seine Position im Kristallgitter verlassen kann, wie die Messungen am Instrument SPODI gezeigt haben. Das Gitter der großen, schweren Anionen bleibt in seiner Struktur bestehen, weshalb auch die Substanz als Feststoff erhalten bleibt. „In erster Linie ging es uns darum, die Ionenleitung und den Übergang zum superionischen Verhalten zu verstehen. Das ist auch wichtig, um verwandte Systeme mit entsprechenden superionischen Übergängen bei tieferen Temperaturen oder sogar Raumtemperatur zu finden und zur Anwendung bringen zu können“, sagt Julius Schneider. „Aber wer weiß, ob wir nicht irgendwann Batterien für Extrembedingungen benötigen“, fügt er lachend hinzu.

Langsam verschwindet die Sonne hinter den Häuserdächern. „Wir haben uns sehr über die Auszeichnung gefreut“, sagt Julius Schneider mit einem zufriedenen Lächeln. „Wenn ich daran denke, wie oft wir das Manuskript überarbeitet haben. Da sind wir alle froh, dass es am Ende so gut angekommen ist.“

 

Originalveröffentlichung:

J. Schneider, T. Schröder, M. Hölzel, O. Kluge, W. Schmahl, O. Oeckler
Solid State Ionics 325, 90 (2018)
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2018.07.024