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7Li und 6Li MAS NMR und XRD-Untersuchungen an Lithiummanganat Kathodenmaterialien

Lithiuminterkalationsmaterialien sind angesichts der Entwicklung neuartiger Elektrodenmaterialien für kompakte, nachladbare Hochspannungsbatterien vielfältig untersucht worden. Lithiummanganoxide LixMn2O4 erscheinen hier als die Erfolg versprechenden Interkalationskathodenmaterialien angesichts Kosten, Toxizität und Leistungsfähigkeit zu sein. Probleme bleiben hier weiterhin in der Reproduzierbarkeit der Synthese dieser Materialien bestehen. Zusätzlich können strukturelle Veränderungen während der Auf- und Entladeprozesse eintreten, die das kurz- und langfristige Verhalten des Materials innerhalb der Batterie beeinflussen können.

Ziel der Arbeit:

Die Kenntnis der lokalen Struktur in diesen Materialien ist für das Verständnis ihrer Leistung und Performance als Elektroden entscheidend. Beugungsstudien liefern hier strukturelle Informati¬onen über die Fernordnung des Kathodenmaterials jedoch keinerlei Informationen hinsichtlich der lokalen Ordnung und der Kationenumgebung. 6Li (I = 1) und 7Li (I =3/2) sind als Sonde für die lokale Umgebung des Lithiums in diesen komplexen Systemen ideal geeignet. Die Aufnahme hochaufgelöster NMR Spektren des Lithiummanganoxidsystems wird durch den Paramagnetismus dieser Materialien erschwert. Dadurch treten starke Wechselwirkungen zwischen den Kernspins und ungepaarten Elektronen in diesen Systemen auf, die sehr breite und teilweise nicht detektierbare NMR Resonanzen verursachen können. Fast-spinning MAS NMR kann hier helfen, diese Wechselwirkungen zu reduzieren.

Arbeitsplan:

In den ersten 10 Tagen soll sich der Kandidat in die Literatur und begrenzt in die NMR Methodik einarbeiten, um einfache Experimente durchführen zu können. Proben sind teilweise vorhanden, lassen sich aber leicht durch Festkörperreaktion von Li2O-MnO2 Mischungen bei 500-800°C im Ofen herstellen. In den nächsten 15 Tagen werden temperaturabhängige 7Li und 6Li MAS NMR Untersuchungen an den Batteriepulvern durchgeführt. Röntgenpulveraufnahmen werden ergänzend vorgenommen. Die Auswertung, Interpretation und Zusammenfassung der Ergebnisse (BSc-Arbeit) erfordert weitere 15 Arbeitstage.