Nichtlineare Leitfähigkeit in Mischungen von ionischen

Untersuchungen zur nichtlinearen Ionenleitfähigkeit in Mischungen
von ionischen Flüssigkeiten mit molekularen Lösungsmitteln
Teilprojekt der Forschergruppe FOR1394 „Nonlinear response to probe vitrification“
http://cms.uni-konstanz.de/physik/dfg-forschergruppe
Die Nachfrage nach verbesserten Energiespeicherzellen, wie zum Beispiel Batterien,
Superkondensatoren und Brennstoffzellen, hat in den letzten Jahren stark zugenommen und
wird in Zukunft weiter zunehmen. Aus diesem Grund sind neue Elektrolytmaterialien mit
optimierten Eigenschaften für solche Zellen wünschenswert. Wichtige Eigenschaften für
elektrochemische Anwendungen sind insbesondere hohe Ionenleitfähigkeit, niedrige
Elektronenleitfähigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hohe chemische Stabilität gegenüber
Elektrodenmaterialien sowie ein breites elektrochemisches Fenster[1-3].
Die meisten Flüssigelektrolyte, die auf Lithiumsalzen in organischen Lösungsmitteln
basieren, besitzen zwar hohe Ionenleitfähigkeiten, jedoch begrenzte chemische und
elektrochemische Stabilität. Deshalb ist der Ersatz dieser Lösungsmittel durch ionische
Flüssigkeiten mit einem breiteren elektrochemischen Fenster ein möglicher Ansatz diese
Probleme zu lösen[4,5].
Aktuelle Forschungsschwerpunkte konzentrieren sich u.a. auf die Optimierung der
Leistungsdichte elektrochemischer Energiespeichermaterialien durch Verringerung des
elektrischen Widerstands. Dies lässt sich durch Verwendung von Materialien mit hohen
Ionenleitfähigkeiten sowie Verwendung dünner Elektrolytfilme erreichen. Bei dünnen Filmen
erzeugen schon geringe Spannungen hohe elektrische Felder. Beispielsweise führt das
Anlegen einer Spannung von 5 V an eine Probe mit einer Dicke von 100 nm zu einer
Feldstärke von E = U/d = 500 kV/cm. Die ionische Leitfähigkeit vieler Elektrolyte nimmt
oberhalb einer elektrischen Feldstärke von etwa 50 kV/cm mit steigender Feldstärke zu[6].
Dieser nichtlineare Effekt wirkt sich positiv auf die Anwendbarkeit von Dünnschichtelektrolyten aus und sollte daher experimentell und theoretisch eingehender untersucht
werden.

v anion
+

v cation
elektrisches Feld E
Abb. 1: Typische ionische Flüssigkeit unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes.
In diesem Projekt wird die nichtlineare Leitfähigkeit von Mischungen ionischer Flüssigkeiten
mit glasbildenden molekularen Flüssigkeiten untersucht. Reine ionische Flüssigkeiten
besitzen hohe ionische Leitfähigkeiten sowie eine hohe chemische, elektrochemische und
thermische Stabilität. Zudem sind sie aufgrund ihres geringen Dampfdrucks unbrennbar, ein
großer Vorteil aus sicherheitstechnischer Sicht. Jedoch stellen die hohen Viskositäten und die
niedrigen Li-Überführungszahlen ein Problem dar, das die Anwendung als Elektrolyt in LiIonen Batterien erschwert. Durch Mischungen mit molekularen Flüssigkeiten lassen sich
höhere Li-Überführungszahlen erreichen.
Während die linearen elektrischen Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten und deren
Mischungen mit molekularen Flüssigkeiten gut untersucht sind, gibt es bisher keine
Untersuchungen zu nichtlinearem Ionentransport unter dem Einfluss hoher elektrischer
Felder.
Literatur
[1]
B. Roling, S. Murugavel, A. Heuer, L. Lühning, R. Friedrich, S. Röthel, Phys. Chem.
Chem. Phys. 2008, 10, 4211.
[2]
A. Heuer, S. Murugavel, B. Roling, Phys. Rev. B 2005, 72, 174304.
[3]
S. Murugavel, B. Roling, J. Non-Cryst. Solids 2005, 351, 2819.
[4]
S. S. Zhang, J. Power Sources 2006, 162, 1379.
[5]
M. Galinski, A. Lewandowski, I. Stepniak, Electrochim. Acta 2006, 51, 5567.
[6]
J. M. Hyde, M. Tomozawa, Phys. Chem. Glasses 1986, 27, 147.