HANDOUT. Vorlesung: Hochleistungskeramik. Keramiken für Energiespeicher und -wandler

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Hochleistungskeramik Keramiken für Energiespeicher und -wandler Leitsatz: "Planar SOFCs provide very high areal (W/cm 2 ) and volumetric (W/cm 3 ) power densities and can be manufactured by low-cost conventional ceramic processing techniques; however, sealing around the edges of the cells and the control of temperature gradients which can cause cell cracking remain issues to be resolved. Large diameter tubular SOFCs have been the most successful so far. Their main advantage is the seal-less stack design; the disadvantages are the low power density, the long start-up times, and the expensive fabrication techniques. [...] The research that has been undertaken on numerous transition metal oxide electrode structures for lithium batteries has clearly demonstrated that the long-term performance of insertion electrodes is critically dependent on the structural stability of the transition metal oxide to lithium insertion and extraction." Quelle: HL-34, S. 224 / HL-36, S. 317

2 Hochleistungskeramik Keramiken für Energiespeicher und wandler Ziele Rohstoffauswahl, Prozessrouten und Analysetechniken biokeramischer Systeme begründen können und Methoden zum Design neuer biokeramischer Werkstoffe unter Beachtung nano-biotechnologischer Randbedingungen (Grenzflächenmechanismen) beurteilen können. ð Methoden zur Herstellung biokeramischer Werkstoffe werkstofftechnisch darstellen und begründen können ð Methoden zur Charakterisierung biokeramischer Werkstoffe fallspezifisch anwenden können ð Gefüge-Eigenschaftskorrelationen biokeramischer Systeme hinsichtlich mechanischer und nanobiotechnologischer Eigenschaften fallspezifisch darstellen und begründen können Inhalte Funktionskeramiken für Festelektrolytbrennstoffzellen Elektrolyte, Grenzflächen und Kinetik, Prozesstechnik, Bauformen Funktionskeramiken für Lithium-Ionen-Batterien Struktur-Gitterfehler-Eigenschaften von Kathoden, Elektrolyte, Anode Funktionskeramiken für die Wasserstoffspeicherung Metallhydride, Struktur, Eigenschaften, Mechanismen der Wasserstoffspeicherung

3 Lerntafel 1 Funktionskeramiken für Festelektrolytbrennstoffzellen Funktionsprinzip der Festelektrolytbrennstoffzelle Schematischer Aufbau einer Festelektrolytbrennstoffzelle (Flachmodulbauweise) Prototypen tubulärer SOFC mit Schichtaufbau (APUs)

4 Sauerstoffionenleitfähigkeit verschiedener Festelektrolyte Elektrochemische Eigenschaften von Gadolinium dotiertem Ceroxid

5 Strom-Spannungskennlinie sowie Power-Output einer typischen Festelektrolytbrennstoffzelle Lerntafel 2 Funktionskeramiken für Lithium-Ionen-Batterien Prinzip von Lithium-Ionen-Batterien: Kombinatio n zweier Lithiuminsertionselektroden Kathoden (+) - Materialien: Klassische Struktur

6 Schichtoxide Problem: Li-Ni Fehlordnung Schichtoxide LiCoO 2 - LiNiO 2 Schichtoxide Problem: Li-Ni Fehlordnung Schichtoxide: Manganbasierte Oxide

7 Schichtoxide: Manganbasierte Oxide Synthese Manganbasierter Schichtoxide Olivine: LiFePO 4 - Eigenschaften

8 Verbesserung durch Verringerung der Kristallitgröße Beschichtung der Kristallite mit leitfähigen Compounds TEM eines Kohlenstoff beschichteten LiFePO 4 -Partikels

9 Syntheseroute von LiFePO 4, chemische Zusammensetzung und spezifische Kapazität Chemische Zusammensetzung von von LiFePO 4, und Struktur LiFePO 4 : Besetzung von Gitterpositionen

10 Strukturelle Analogie von Triphylit und Sarkopsid Li Transport in LiFePO 4 - ideale Struktur Eisen auf Lithiumpositionen - Gitterfehler

11 Statistische Verteilung von Fe in den Lithiumkanälen Li-Batterien: Mögliche Kathoden(+) - Materialien Kohlenstoff als negative Elektrode

12 Kohlenstoff als Lithium-Insertionselektrode Kohlenstoff als Lithium-Insertionselektrode SEI-Bildung: Alterungsmechanismus

13 Alternative Anoden (-) Materialien: Lithiumlegierungen Struktur und Morphologie alternativer Anoden (-) Materialien: Lithiumlegierungen Elektrolyte für Li-Ionenbatterien: Anforderungen

14 Alternative Anoden(-) Materialien: Nano- oder mesoporöses TiO 2 Lerntafel 3 Funktionskeramiken für Wasserstoffspeicherung Wasserstoffspeicherung: Speicherkennwerte Wasserstoffspeicherung: Molekularer Wasserstoff

15 Druck-Dichte-Korrelation von molekularem Wasserstoff Wasserstoffspeicherung: Chemiesorption Wasserstoffspeicherung: Zeolite Wasserstoffspeicherung: MOFs

16 Metallhydride Oberflächen- und Grenzflächenreaktion der Wasserstoffspeicherung an Metallhydriden Gleichgewichtsdruck von molekularem Wasserstoff an MH-Grenzflächen

17 Mechanismus der Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden Druck-Kapazitäts-Diagramm Druck-Kapazitäts-Temperatur-Diagramm

18 Vergleich der Hydride - Van t Hoff Plots Vergleich der Hydride - Van t Hoff Plots Hochdruckhydridspeicher-TiCrMn

19 Struktur und Eigenschaften typischer Metallhydride Metallhydride - Magnesiumhydrid Intermetallische Hydride

20 Eigenschaften ausgewählter intermetallischer Hydride Komplexe Hydride Vergleich der Speichertechniken