Untersuchungen an technologisch relevanten Verbindungen für All-Solid-State Batterien - Der Festkörperelektrolyt vom Granat-Typ Li6La3ZrTaO12

 

Keramische Elektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit sowie vernachlässigbarer Elektronen-Leitfähigkeit (zur Vermeidung von Selbstentladung und/oder Bildung von Li-Dendriten, einer wesentlichen Hürde für die Entwicklung langlebiger all-solid-state-Batterien) sind eine Voraussetzung für all-solid-state Lithium-Batterien der nächsten Generation. Der Granat-Typ Li7La3Zr2O12 (LLZO) ist ein ideales Modellsystem für detaillierte Untersuchungen der Einflüsse von externen und intrinsischen Faktoren wie Verunreinigungen, chemische Homogenität, Korngrenzen, Morphologie und Größeneffekten. Die hohe instrumentelle Auflösung von HEiDi erlaubte detailreiche Strukturuntersuchungen an reinen und Ta-dotierten Einkristallen.

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a, b) Kristallstruktur von Ga-haltigem Li6.4Ga0.2La3Zr2O12 (Raumgruppe I43d (Nr. 220)), bestimmt durch kombinierte gleichzeitige Verfeinerung von Daten aus Röntgenbeugung und Neutronenbeugung. Die Li-Ionen sind über drei verschiedene kristallographische Positionen (12a (Li1), 12b (Li2), 48e (Li3)) in der zentrischen Raumgruppe verteilt. Ga3+-Ionen teilen sich Positionen mit Li+, die sich an der Li1-Position befinden und die der Wyckoff-Position 12a entsprechen. Die Li+-Ionen bilden ein 3D-Netzwerk, das es ihnen ermöglicht, schnell durch die Kristallstruktur zu diffundieren [3].

 

Publikationen:

[1] Single-crystal neutron and X-ray diffraction study of garnet-type solid-state electrolyte Li6La3ZrTaO12: an in situ temperature-dependence investigation (2.5 ≤ T ≤ 873 K); G. J. Redhammer, M. Meven, S. Ganschow, G. Tippelt and D. Rettenwander; Acta Cryst. B 77, 123-130 (2021); DOI: 10.1107/S2052520620016145

[2] Wet-Environment-Induced Structural Alterations in Single- and Polycrystalline LLZTO Solid Electrolytes Studied by Diffraction Techniques; Günther J. Redhammer, Pavan Badami, Martin Meven, Steffen Ganschow, Stefan Berendts, Gerold Tippelt, and Daniel Rettenwander; ACS Appl. Mater. Interfaces, 350–359 (2021); DOI: 10.1021/acsami.0c16016

[3] The Electronic Conductivity of Single Crystalline Ga Stabilized Cubic Li7La3Zr2O12: A Technologically Relevant Parameter for All Solid State Batteries; Martin Philipp, Bernhard Gadermaier, Patrick Posch, Ilie Hanzu, Steffen Ganschow, Martin Meven, Daniel Rettenwander, Günther J. Redhammer, H. Martin R. Wilkening; Adv. Mater. Interfaces 7, 200450 (2020); DOI: 10.1002/admi.202000450