Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie

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Projekte:

• Theoretische Beschreibung der Lithiumdiffusion in Festkörpern

Thomas Bredow und Paul Heitjans

Die Untersuchung elementarer Diffusionsprozesse von Ionen in Festkörpern ist im Falle von Lithium-Ionenleitern sowohl für die physikalisch-chemische Grundlagenforschung als auch für die anwendungsorientierte Materialforschung aktuell von weltweit enormer Bedeutung.

Die Forschergruppe "Mobilität von Li-Ionen in Festkörpern" (http://www.for1277molife.uni-hannover.de/index.html), Sprecher: Prof. Dr. Paul Heitjans), die seit Anfang 2010 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, widmet sich dem reinen Grundlagenstudium atomarer dynamischer und kinetischer Prozesse in Li-haltigen Festkörpern. MOLIFE umfasst  sieben Projekte, die an den Universitäten Hannover, Clausthal-Zellerfeld und Bonn angesiedelt sind.

Themenschwerpunkte sind die Aufklärung von Dimensionalitäts- und Isotopeneffekten bei der Li-Diffusion in kristallinen, strukturell ungeordneten oder nanostrukturierten Festkörpern (Nanoröhren).

Das Ziel des theoretischen Teilprojekts ist die quantenchemische Untersuchung der Lithiumdiffusion auf mikro- und makroskopischen Zeit- und Längenskalen. Insbesondere sollen lithiierte Titan- und Tantalchalkogenide und -Hydride sowie Nanoröhren aus Titandioxid und Vanadiumoxid betrachtet werden.

Lokale Sprungprozesse werden mit periodischen Superzellenmodellen auf Dichtefunktionalniveau beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Spinzustände und den Einfluss der Umgebungsordnung gelegt wird. Die Berechnungen werden mit dem Kristallorbitalprogramm CRYSTAL09 durchgeführt, das auf dem RRZN-Rechnercluster zur Verfügung gestellt wird. Zusätzlich wird das Ebene-Wellen-Programmpaket VASP eingesetzt, für das eine eigene Lizenz vorliegt.

Die Festkörper werden mit der im Arbeitskreis entwickelten Hybridmethode PW1PW sowie mit Standard-Dichtefunktionalmethoden (PWGGA, PBE) behandelt. Lithiumwanderungspfade und Übergangszustände werden mit der Nudged Elastic Band-Methode und mit dem Eigenvector Following-Verfahren berechnet. Die quantenchemisch berechneten kinetischen und thermodynamischen Daten gehen als Parameter in kinetische Monte-Carlo-Simulationen ein, die zu einem Verständnis der makroskopischen Li-Wanderung in den untersuchten Substanzen führen sollen. Für alle stabilen Strukturen, Gleichgewichtszustände und Intermediate, werden spektroskopische Eigenschaften berechnet und mit experimentellen Messungen, z.B. aus NMR-und Raman-Untersuchungen, verglichen.

Weitere Informationen:

• http://www.pci.uni-hannover.de