Elektrolytmaterial mit NASICON-Struktur für Feststoff-Natriumionenbatterien

sowie Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft neue Elektrolytmaterialien, insbesondere Elektrolytmaterialien als Fest- körperelektrolyt für Natrium-Batterien, die eine hohe lonenleitfähigkeit, insbesondere eine hohe Na-Ionenleitfähigkeit aufweisen. Die Erfindung betrifft zudem die Herstellung der vorgenannten Elektrolytmaterialien.

Stand der Technik

Im Unterschied zu herkömmlichen Batterien, die einen brennbaren, organischen flüssigen Elektrolyten aufweisen, weisen so genannte Festkörperbatterien (engl, all solid-state batte- ries) einen Festelektrolyten auf. Diese Festkörperbatterien zeigen deutlich weniger Risiken beim Einfrieren oder Erhitzen und sind daher in der Regel in einem deutlich größeren Tem- peraturbereich anwendbar. Auf Grund ihrer Sicherheitsvorteile, insbesondere in Bezug auf mögliche Anwendungen in größeren Anordnungen, wie beispielsweise in mit Batterie betriebenen Fahrzeugen oder auch als Speichereinheiten für erneuerbare Energiequellen, steigt in den letzten Jahren das Interesse an diesen Festkörperbatterien. Obwohl die Entwicklungen nicht vergleichbar sind mit denen von Lithiumbatterien, könnten alle Natrium-Festelektrolytbatterien immer noch eine realistische Alternative darstellen, da Natrium im Unterschied zu Lithium als Rohstoff in größeren Mengen zur Verfügung steht und deutlich preiswerter ist. Allein dies ist für die Speicherung von erneuerbarer Energie, wie Solar- oder Windenergie, von großem Interesse, da hierfür ein enormer Bedarf prognostiziert wird.

Zu den möglichen Kandidaten für Natriumionen-leitende Festelektrolyte gehören die ß/ß"- Aluminate, die als gut entwickelte Natriumionenleiter bereits kommerziell erhältlich sind. Die 2-dimensionale ionische Leitfähigkeit und Schwierigkeiten beim Handling führen jedoch zu einigen Problemen bei der Herstellung und der praktischen Anwendung.

Als weitere Kandidaten für Natriumionen-leitende Festelektrolyte, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, sind teilsubstituierte Na ₃ Zr2(Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) Keramiken bekannt, die als Natriumionen-leitende Festelektrolyte für den Einsatz in Festkörper-Natriumbatterien geeignet sind. Na _+x Zr ₂ (Si04) _x (P0 ₄ )3. _x wurde bereits vor 40 Jahren entdeckt. Alle Modifikationen kristallisieren in einer hexagonalen rhomboedrischen Struktur (Raumgruppe R3c ), außer in dem Intervall von 1 ,8 ί x - 2,2, wo bei Raumtemperatur eine Störung in der monolitischen C2/c Raumgruppe gefunden wurde. Diese Konfigurationen werden auf Grund ihrer hohen Natri- umionen-Leitfähigkeit auch NASICON (engl. Natrium Super lonic CONductor) genannt. Mit x = 2 bis 2,5 erreichen diese Systeme typischerweise ihre höchste ionische Leitfähigkeit. Verbindungen mit einer NASICON-Struktur zeigen in der Regel keine elektronische Leitfähigkeit.

In der Na ₃ Zr2(Si0 ₄ )2(P0 )-Struktur führt eine teilweise Substitution des Zr ⁴⁺ -Kations durch ein 3-wertiges Metallkation M ³⁺ , wie beispielsweise Al ³⁺ , Sc ³⁺ oder Y ³⁺ , zu einem Defizit an positiver Ladung, was durch das Zufügen weiterer Nationen kompensiert wird, und insgesamt häufig zu einer höheren Leitfähigkeit führt.

Eins der größten Probleme der auf a ₃ Zr2(Si04)2(P0 ₄ ) basierten Materialien ist ihre nicht ausreichend hohe Leitfähigkeit verglichen mit der von ß/ß"-Aluminaten. Während einkristalline ß/ß"-Aluminate bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit von mehr als 1 · 10 ^"2 S/cm aufweisen, liegt die von Na ₃ Zr ₂ (Si0 ₄ )2(P04) basierten Materialien bei Raumtemperatur regelmäßig im Bereich von 1 · 10 ^"4 bis 1 · 10 ^"3 S/cm. Eine direkte Anwendung von einkristallinen ß/ß"- Aluminaten erscheint aber eher unwahrscheinlich. Allerdings liegen die Leitfähigkeiten von polykristallinen ß/ß"-Aluminaten bei Raumtemperatur im Bereich von 1 · 10 ^"3 bis 2 · 10 ^"3 S/cm, und damit immer noch höher als die von Na ₃ Zr ₂ (Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) basierten Materialien.

Und obwohl der Natriumionentransport in den Na ₃ Zr ₂ (Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ ) basierten Materialien vorteilhaft in allen drei Raumrichtungen erfolgt, im Unterschied zur 2-dimensionalen Leitfä- higkeit der ß/ß"-Aluminate, und die Prozesstemperaturen von Na ₃ Zr ₂ (Si0 ₄ )2(P04) basierten Materialien mit ca. 1250 °C sehr viel geringer sind als die von ß/ß"-Aluminaten, hat der große Unterschied in den Leitfähigkeiten bislang die Kommerzialisierung der Na ₃ Zr ₂ (Si04) ₂ (P0 ₄ ) basierten Materialien verhindert. In WO 2014/052439 A1 ist bereits über eine sehr hohe Leitfähigkeit von 1 ,9 · 10 ^"3 S/cm bei Raumtemperatur (25 °C) für ein Na4AIZr(Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) berichtet worden.

Eine noch höhere Leitfähigkeit von 3 · 10 ^'3 S/cm bei 20 °C wird in US 2010/0297537 A1 für ein substituiertes ai _+x Zr2(Si0 ₄ ) _x (P0 ₄ ) ₃ . _x offenbart. Jedoch sind hier keine weiteren Informa- tionen bezüglich der Zusammensetzung beschrieben. Diese letztgenannten Leitfähigkeiten liegen jedoch im Bereich von ß/ß"-Aluminaten und zeigen daher erneut das Potential der a ₃ Zr2(Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) basierten Materialien.

Die Herstellung von Na ₃ Zr ₂ (Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) basierten Materialien erfolgt bislang über herkömmli- che Festkörperreaktionen. Dabei werden für das Mischen und Mahlen in der Regel entsprechende Ausgangspulver mit einer Partikelgröße von größer 1 μηι eingesetzt. Das nach der Festkörperreaktion erhaltene Pulver zeigt typischerweise relativ große Korngrößen, beispielsweise im Bereich von 1 bis 10 μηι, und weist nachteilig einige Inhomogenitäten und Unreinheiten auf.

Aus WO 2014/052439 A1 ist beispielsweise ein Festelektrolytkomposit umfassend Nas+xMxZra-xSiaPO« mit A = Al ³⁺ , Fe ³⁺ , Sb ³⁺ , Yb ³⁺ , Dy ³⁺ oder Er ³⁺ und 0,01 i x s 3, bekannt, welches durch die Schritte a) Zerkleinern von Na ₂ C0 ₃ , Si0 ₂ , NH ₄ H ₂ P0 , einer Zirkoniumquelle und eines Dotierungsstoff in einer Kugelmühle zur Erzeugung eines gemahlenen Pulvers, b) Kalzinierung des gemahlenen Pulvers zur Erzeugung eines kalzinierten Pulvers sowie c) Sinterung des kalzinierten Pulvers zur Erzeugung eines Festelektrolyten, gekennzeichnet ist.

In US 2014/0197351 A1 wird ein Lithiumionen leitendes keramisches Material beschrieben, bei dem das pulverförmige Precursermaterial zunächst kalziniert, anschließend gemahlen und dann gesintert wird.

US 2015/0099188 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen Films umfassend ein Lithiumionen leitendendes Granatmaterial, bei dem eine Reaktionsmischung aus Granat- Vorstufen und optional einer Lithiumquelle als Mischung oder als Schlicker auf ein Substrat aufgebracht und anschließend gesintert wird, wobei die Granatvorstufen zu einem dünnen, mit Lithium angereicherten Film reagieren.

Die ebenfalls bekannte alternative Herstellungsroute über eine Sol-Gel-Synthese findet auf molekularer Ebene, bzw. auf Nanometerbasis statt und führt dementsprechend regelmäßig zu sehr homogenen Materialien. Allerdings werden für diese Art der Herstellung typischerweise komplexe und daher in der Regel teure Ausgangsstoffe benötigt, sowie organische Lösungsmittel und Heizvorrichtungen. Diese Umstände machen dieses alternative Herstellungsverfahren insgesamt zu einem teuren und zeitaufwändigen Verfahren, welches sich in der Regel nur für kleine Anwendungsbereiche rechnet. Aufgabe und Lösung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, alternative phasenreine Materialien mit einer NASICON- Struktur zur Verfügung zu stellen, die bei Raumtemperatur von 25 °C eine Natriumionen- Leitfähigkeit von wenigstens 1 · 10 ^"3 S/cm aufweisen.

Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges und einfaches Herstellungsverfahren für diese Materialien bereit zu stellen, welches auch für die Großproduktion geeignet ist. Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch Materialien mit den Eigenschaften gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Herstellungsverfahren für solche Materialien mit den Merkmalen gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Materials oder des Herstellungsverfahrens finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen wieder. Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung werden neue Materialien auf Basis von Na ₂ Zr2(Si0 ₄ )2(P0 ₄ )- Verbindungen mit einer sehr hohen Natriumionen-Leitfähigkeit bereitgestellt, die insbesondere als Festelektrolyte für Na-Batterien, als Sensoren oder allgemein als elektrochemische Bauteile einsetzbar sind. Bei den erfindungsgemäßen Materialien handelt es sich um Natri- um Scandium Zirkonium Silikat Phosphate (Na _3+x Sc _x Zr2-x(Si0 ₄ )2(P0 ₄ )) mit 0 < x< 2, welche bei Raumtemperatur von 25 °C regelmäßig eine Leitfähigkeit von mehr als 1 · 10 ^"3 S/cm, vorteilhaft sogar mehr als 3 · 10 ^"3 S/cm aufweisen. Im Rahmen dieser Erfindung wird unter dem Begriff der Leitfähigkeit immer die ionische Leitfähigkeit verstanden. Zudem wird im Rahmen dieser Erfindung ein einfaches und kostengünstiges und zudem leicht zu kontrollierendes Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Materialien bereitgestellt.

Es wurde herausgefunden, dass für die Herstellung der erfindungsgemäßen Materialien vorteilhaft 3-wertige Scandiumionen für die teilweise Substitution von Na ₃ Zr2(Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) eingesetzt werden können, wobei rein rechnerisch ein Zirkoniumion mit der Oxidationszahl +IV durch ein Scandiumion mit der Oxidationszahl +III sowie durch ein weiteres Natriumion substituiert wird. Unter allen 3-wertigen Metallkationen (M ³⁺ ), die theoretisch für eine Substitution in Frage kommen, wie beispielsweise Al ³⁺ , Sc ³⁺ oder Y ³⁺ , ist der lonenradius von Sc ³⁺ mit 74,5 pm dem lonenradius von Zr ⁺ mit 72 pm sehr ähnlich. Dies bedeutet, dass durch eine Substitut!- on des Zirkoniums durch Scandium vorteilhaft lediglich ein Defizit in der positiven Ladung bewirkt wird und diese Substitution nicht nachteilig auch zu einer größeren Unordnung in der Kristallstruktur führt. Im Rahmen der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung der vorgenannten erfindungsgemäßen Materialien bereitgestellt. Dabei handelt es sich um ein Lösungsmittel unterstütztes, Festkörperreaktionsverfahren, bei dem ausschließlich preiswerte Ausgangstoffe eingesetzt werden können und bei dem nur einfaches Laborequipment benötigt wird. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist zudem leicht auf große Herstellungsmengen ska- lierbar. Damit ist sowohl eine Synthese im Labormaßstab im Bereich von 10 bis 1000 g als auch großtechnisch bis in den Tonnenmaßstab möglich.

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung der erfindungsgemäßen Natriumionen-leitenden Materialien wird zunächst eine saure, wässrige Lösung zur Verfügung gestellt, zu der die entsprechenden Ausgangschemikalien mit der bevorzugten Stöchiometrie gegeben werden. Beispielsweise können Nitrate, Azetate oder Karbonate von Natrium, Zirkonium und Scandium, lösliche Silikate oder Orthokieselsäure oder organische Siliziumverbindungen, Phosphorsäure oder Ammonium Di-Hydrogenphosphat oder andere Phosphate als Ausgangsstoffe eingesetzt werden. Prinzipiell geeignet sind alle wasserlöslichen Salze oder Säuren der entsprechenden Elemente (Scandium, Natrium, Zirkonium, Silizium und Phosphor), die sich bei einem späteren Brennprozess (Kalzinierung) zersetzen und keine weiteren Verunreinigungen hinterlassen. Die vielseitige Auswahl an geeigneten Ausgangsstoffen ist dabei ein weiterer Vorteil dieser Erfindung. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Natriumionen-leitenden Materialien ist es wichtig, dass die Zugabe der Phosphorkomponente, beispielsweise in Form von Phosphorsäure oder Ammonium Di-Hydrogenphosphat, zu dem wässrigen System als ein letzter Verfahrensschritt erfolgt. Mit Zugabe der Phosphorkomponente wechselt das zunächst homogene wässrige System regelmäßig durch die Ausbildung komplexer Zirkoniumdioxid-phosphate umgehend in eine wässrige Mischung, die kolloidale Ausfällungen aufweist.

Da sich bei diesem letzten Verfahrensschritt Ausfällungen ausbilden, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren also nicht um eine Sol-Gel-Synthese. Anders als bei einem Sol liegt bei der erfindungsgemäßen Mischung zu diesem Zeitpunkt keine Homo- genität mehr im System vor. Gleichzeitig handelt es sich aber auch nicht um eine Festkörperreaktion, wie sie bislang als Herstellungsmethode für NASICON-ähnliche Strukturen beschrieben wird.

Die erfindungsgemäß hergestellte wässrige Mischung mit den kolloidalen Ausfällungen wird im Anschluss über einen längeren Zeitraum getrocknet, wobei die flüssigen Anteile der Mischung verdampfen. Dies kann beispielsweise in einem Zeitraum von 12 bis 24 Stunden bei Temperaturen zwischen 60 °C und 120 °C erfolgen. Der verbleibende Feststoff wird anschließend gebrannt (kalziniert). Das kann beispielsweise über einen Zeitraum von 2 bis 12 Stunden bei Temperaturen zwischen 700 °C und 900 °C erfolgen, wobei ein weißes Pulver erhalten wird.

Obwohl das Mischen der Ausgangsstoffe beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auf Grund der Ausfällungen nicht auf molekularer Ebene oder im nano-Maßstab erfolgt, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass das kalzinierte Pulver eine Teilchengröße im Be- reich von um die 0,1 μηι aufweist. Damit liegt die Teilchengröße des über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Pulvers deutlich unterhalb der Teilchengröße der Pulver, die bislang über die konventionelle Festphasenreaktionsmethode erhalten werden, obwohl gerade die letztgenannte Methode die Homogenisierung beim Mischen und anschließenden Mahlen unterstützt.

Untersuchungen des weißen Pulvers lassen zudem den Rückschluss zu, dass das Pulver zumindest teilweise auch in einer agglomerierten Form vorliegt.

Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist die Menge an synthetisiertem Pulver überwiegend nur von der Größe der Trocknungseinrichtung und der Sintereinrichtung abhängig. Selbst mit einem üblichen Trockenschrank und einem Laborofen ist die Herstellung von ca. 1 kg kein Problem. Damit ist aber das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren auch deutlich vorteilhafter als die aus dem Stand der Technik bekannte alternative Sol-Gel- Methode.

Im Anschluss an die Kalzinierung wird das Pulver regelmäßig gemahlen. Dazu eignet sich insbesondere eine Kugelmühle. Beispielsweise kann das Mahlen des kalzinierten Pulvers in Ethanol, Propanol, Butanol, Aceton oder einem anderen organischen Lösungsmittel in einer Kugelmühle mit Zirkoniumkugeln über einen Zeitraum von 24 bis 96 Stunden erfolgen. Nach dem erneuten Trocknen des nunmehr gemahlenen gebrannten Pulvers kann dieses nun zu einer hochdichten Keramik verpresst werden. Beispielsweise wurde das Pulver bei Raumtemperatur zunächst uniaxial mit einem Druck zwischen 50 und 100 MPa verpresst und anschließend über einen Zeitraum zwischen 5 und 12 Stunden bei Temperaturen zwi- sehen 1200 °C und 1300 °C gesintert.

Eine Untersuchung in einem Röntgendiffraktometer (XRD) zeigte, dass bei den dicht gesinterten Proben keinerlei Fremdphasen vorhanden waren. Die Dichte der untersuchten Proben erreichte dabei sogar mehr als 95 % der theoretischen Dichte.

Das vorgestellte, erfindungsgemäße Verfahren ist theoretisch dazu geeignet, eine Vielzahl von auf einer Na ₃ Zr ₂ (Si0 _4)Z (P0 ₄ )3-Verbindung basierende Verbindungen herzustellen, die eine NASICON-Struktur auszubilden vermögen und dabei die nachfolgende allgemeine Formel aufweisen:

Mit M' = Natrium oder Lithium und M" ,M ^l " ,M ^V = jeweils ein geeignetes 2-, 3- oder 5- wertiges Metallkation und mit 0 x < 2, < y < 2, 0 .s z < 3 und < w < 2. Die römischen Indizes ', ", "', ^lv oder ^v geben dabei die Oxidationszahl an, in der die jeweiligen Metallkationen in der Verbindung vorliegen.

Ganz allgemein kann über den vorgestellten Herstellungsweg jegliche keramische Verbindung hergestellt werden, solange die Ausgangsmaterialien in einem einzigen Lösungsmittel- System gelöst werden können.

Als zweiwertige Metallkationen (M" ), könnten beispielsweise Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Sr ^2* , Ba ²⁺ , Co ²⁺ oder Ni ²⁺ ausgewählt werden. Als geeignete dreiwertige Metallkationen (M ^{in '} ) wären zu nennen: Al ³⁺ , Ga ³⁺ , Sc ³⁺ , La ³⁺ , Y ³⁺ , Gd ³⁺ , Sm ³⁺ , Lu ³⁺ , Fe ³⁺ oder Cr ³⁺ . Als geeignete fünfwerti- ge Metallkationen (M ^v ) wären zu nennen: V ⁵⁺ , Nb ⁵⁺ oder Ta ⁵⁺ .

Die Erfindung fokussiert sich jedoch auf die Herstellung solcher Verbindungen, bei denen das Zirkonium vorteilhaft zumindest teilweise durch Scandium und weiteres Natrium substituiert ist, das bedeutet also auf die Herstellung von Verbindungen des Typs:

Na3 ₊ xSc _x Zr2.x(Si0 ₄ )z(P04)z-3 mit 0 <, x < 2. Teilweise mit Scandium substituierte NASICON-Strukturen sind bereits aus M. A. Subrama- nian et al. [1] bekannt. Allerdings wurden hierfür Leitfähigkeiten im Bereich von ca. 5,0 · 10 ^"4 S/cm bei Raumtemperatur angegeben, was für den Einsatz als Festelektrolyte für Na- Batterien unzureichend wäre.

Im Rahmen der Erfindung konnten nunmehr über das erfindungsgemäße Verfahren Natriumionen-leitende Materialien auf Basis von ( a3 _+x Sc _x Zr2. _x (Si0 ₄ )2(P04)) mit 0 -S x < 2 bereitgestellt werden. Insbesondere weisen diese Verbindungen in dem Bereich mit 0 £ x < ^, 0,6 bei Raumtemperatur von 25 °C regelmäßig eine Leitfähigkeit von mehr als 1 · 10 ^"3 S/cm auf, wie auch in Figur 1 dargestellt ist. Damit sind diese Materialien aber bevorzugt als Natriumionenleiter für eine Anwendung in einer elektrochemischen Zelle geeignet.

Durch Variation der Substitution, also durch Variation des Wertes x, konnten zudem Materialien hergestellt werden, bei denen bei Raumtemperatur von 25 °C sogar Leitfähigkeiten oberhalb von 3 ^■ 10 ^'3 S/cm gemessen wurden.

Das erfindungsgemäß hergestellte und gesinterte Material (Na _3+x Sc _x Zr2- _x (Si0 ₄ ) _z (P0 ₄ ) ₂ .3) zeigt bei Raumtemperatur (25 °C) im Bereich mit 0 .s x .s 0,6 eine Gesamtleitfähigkeit zwischen 1 ,0 ^■ 10 ^"3 S/cm und 4,0 ^■ 10 ^"3 S/cm, wobei die Leitfähigkeit mit steigendem Anteil an Scandium zunächst ansteigt und dann oberhalb von x = 0,5 wieder abfällt.

Der anfängliche Anstieg kann gegebenenfalls darauf zurückzuführen sein, dass bei jeder Substitution eines Zirkoniumions durch ein Scandiumion zusätzlich auch ein weiteres Natriumion benötigt wird, um die fehlende positive Ladung auszugleichen, die durch den Austausch von Zirkonium durch Scandium generiert wird. Der Anstieg der ionischen Leitfähigkeit ist noch nicht endgültig geklärt. Es kann aber vermutet werden, dass es in NASICON- Verbindungen einen optimalen Bereich für das Verhältnis von mit Natriumionen belegten und freien Plätzen zwischen 0,4 und 0,5 gibt.

Selbst die erfindungsgemäß hergestellte unsubstituierte Na ₂ Zr2(Si0 ₄ )2(P0 ₄ )-Verbindung weist bei Raumtemperatur bereits eine hohe ionische Gesamtleitfähigkeit von ca. 1 ,2 ^■ 10 ^"3 S/cm auf. Dieser gemessene Wert ist 2-mal höher, als die bislang offenbarten Werte für diese Verbindung aus H. Y-P. Hong et al. [2] und A. Ignaszak et al. [3].

Die teilweise substituierten Naa^Sco^ r^SiO^PO^) und Na3 _i 5Sco,5Zr ₁ ,5(Si04)2(P0 ₄ ) zeigen jeweils Leitfähigkeiten um die 4,0 · 10 ^"3 S/cm bei Raumtemperatur, was eine Größenordnung größer ist, als die bislang offenbarten Werte für mit Scandium substituiertes Na ₂ Zr ₂ (Si04)2(P04) aus J. L. Briant et al [4].

Es wird vermutet, dass diese hohen Leitfähigkeitswerte in dem homogenen Mischen der Ausgangsstoffe am Anfang des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens begründet sind.

In der Tabelle 1 sind die Leitfähigkeitswerte zweier im Rahmen dieser Erfindung hergestellten Verbindungen (Na _3i Sco,4Zr _1i6 (Si0 ₄ )2( 0 ₄ ) und Na^Sco.sZr _! ,5(Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ )) anderen Festphasen Natrium- oder Lithiumionenleitern gegenübergestellt, welche ebenfalls hohe lonen- leitfähigkeitswerte aufweisen. Die Messwerte gelten jeweils für Raumtemperatur von 25 °C.

Sowohl ß/ß"-Aluminium-Einkristalle als Natriumionenleiter als auch Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ als Lithiumionenleiter zeigen höhere Leitfähigkeitswerte als die erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen. Allerdings ist der Einsatz von ß/ß"-Aluminium-Einkristallen für eine großtechnische Anwendung aus vorgenannten Gründen relativ unwahrscheinlich.

Ebenso unvorteilhaft ist der Einsatz von Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ als Lithiumionenleiter aufgrund der Luftempfindlichkeit und der Instabilität dieses Materials in Bezug auf den Kontakt mit metallischem Lithium. Demgegenüber weisen die im Rahmen dieser Erfindung hergestellten Verbindungen vom Typ Na _3+x Sc _x Zr ₂ . _x (Si0 ₄ ) _z (P0 ₄ ) _z .3 mit 0 5 x < 2, insbesondere im Bereich von 0,35 < x < 0,55 und besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 0,4 x 0,5 (z. B. Na^Sco^Zr^iSiO^^PC^) und Na _3,5 Sco,5Zr _{1 i} 5(Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ )) aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeitswerte ein nicht unerhebliches Potential für den Einsatz in großtechnischen Anwendungen auf, das diese Verbindun- gen einerseits chemisch und mechanisch stabil sind, leicht und in großen Maßstab hergestellt werden können und ihre Leitfähigkeiten für die vorgenannten Anwendungen ausreichend hoch sind.

Nach hiesiger Auffassung zeigen die in Rahmen dieser Erfindung hergestellten, teilweise mit Scandium substituierten Na ₂ Zr ₂ (Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ )-Verbindungen bei Raumtemperatur (25 °C) die höchsten ionischen Leitfähigkeitswerte, die bislang für Verbindungen mit einer NASICON- Struktur veröffentlicht wurden. Ihre Leitfähigkeiten liegen sogar 2 - 3 Mal höher als die meisten, aufwändig entwickelten ß/ß" Aluminium-Polykristalle als Natriumionenleiter, und auch höher als die auf Li ₇ Zr ₂ La ₃ 0i ₂ basierten Lithiumionenleiter. Daher sind diese erfindungsgemäßen Verbindungen aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Eigenschaften, ihrer preiswerten Herstellung sowie der Möglichkeit für eine Großtechnische Produktion hochgradig dazu geeignet, kommerziell verwertet zu werden. Tabelle 1 :

Vergleich der Gesamtleitfähigkeiten bei Raumtemperatur (25 °C) für Ausführungsbeispiele dieser Erfindung und weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Festphasen- Natriumionenleitern und Festphasen-Lithiumionenleitern.

Mit den erfindungsgemäß herstellbaren Na _3+x Sc _x Zr ₂ . _x (Si0 ₄ ) ₂ (P0 )-Pulvem mit 0 < x < 2 ist es zudem möglich, mit Hilfe des Foliengießens dichte Na _3+x Sc _x Zr ₂ . _x (Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ )-Substrate herzustellen, oder mit Hilfe des Siebdruckes dichte Na _3+x Sc _x Zr ₂ . _x (Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ )-Schichten auf anderen Substraten aufzubringen, die für die weitere Herstellung von Festkörper- Natriumionenbatterien benötigt werden.

Mit einer Dichte von regelmäßig mehr als 90 % der theoretischen Dichte, sind die erfindungsgemäß herstellbaren Na _3+x Sc _x Zr ₂ . _x (Si0 ₄ ) ₂ (P0 ₄ )-Verbindungen aufgrund ihrer guten Leitfähigkeitswerte vorteilhaft dazu geeignet, als feste Elektrolytmembranen in Festkörper- Batterien eingesetzt zu werden. Spezieller Beschreibunqsteil

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einzelnen Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert, ohne dass darin einen Einschränkung gesehen werden soll. Es zeigen: Figur 1 : lonenleitfähigkeit von Na ₃ Sc _x Zr ₂ .x(Si0 ₄ )2(P0 ₄ )-Verbindungen mit x im Bereich von

0 bis 0,6 bei Raumtemperatur von 25 °C.

Figur 2: Mikrostruktur des erfindungsgemäß hergestellten

Pulvers nach dem Kalzinieren und dem Mahlen in einer Kugelmühle Figur 3: Untersuchungen der erfindungsgemäß hergestellten Na _3i4 Sco _,4 Zr _1i6 (Si0 ₄ )2(P0 ₄ )- Verbindung mit dem Röntgendiffraktometer (XRD). Als Referenz ist der kristallo- graphische Standard (JCPDS: 01-078-1041) ebenfalls dargestellt.

Figur 4: Temperaturabhängigkeit der ionischen Gesamtleitfähigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Na _3i4 Sco _,4 Zr _{1 i6} (Si0 ₄ )2(P0 ₄ )-Verbindung. 1. Herstellung von 13,03 q (0.025 Mol) Na^Sc _{n 4} Zn _fi (Si0 ₄ )?(P0 ₄ )-Pulver

Es wurden 9,249 g ZrO(N0 ₃ ) ₂ , 6,374 g NaN0 ₃ und 2,310 g Sc(N0 ₃ ) ₃ in 100 ml deionisiertem Wasser unter Rühren gelöst. Nach dem Auflösen aller Salze wurde 10,417 g Tetraethyl- Orthosilikat zugegeben und weiterhin gerührt. Zur Beschleunigung der Hydrolyse des Tetra- ethyl-Orthosilikats wurde dem System noch 2 ml HN0 ₃ (65 Gew.-%) zugegeben. Nach der vollständigen Hydrolyse des Tetraethyl-Orthosilikats wurde ebenfalls unter Rühren 2,8769 g an NH4H2PO4 zugegeben. Mit der Zugabe des Phosphates wechselte das bis dahin homogen vorliegende wässrige System zu einer Mischung, die dann kolloidale Ausfällungen an komplexen Zirkoniumoxid-Phosphat-Verbindungen aufwies. Die Mischung mit den kolloidalen Ausfällungen wurde im Anschluss bei 90 °C für ca. 12 Stunden getrocknet. Das getrocknete Pulver wurde dann bei 800 °C für ca. 3 Stunden kalziniert. Nach dem Brennvorgang wurde ein weißes Pulver erhalten, welches anschließend in einer Kugelmühle mit Zirkoniumkugeln und mit Ethanol für weitere 48 Stunden gemahlen wurde.

2. Herstellung von dichten Tabletten umfassend Na^Scn^Zr^SiO^^PO

1 g des gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellten weißen gemahlenen Pulvers wurde in eine zylindrische Presspassung mit einem Durchmesser von 13 mm überführt und unter uniaxialem Druck von 100 MPa bei Raumtemperatur verpresst. Die so gepressten Tabletten wurden anschließend bei 1260 °C für ca. 6 Stunden gesintert. Man erhielt reine, weiße Tabletten. Die Dichte dieser gesinterten Tabletten erreichten mehr als 95 % der theoretischen Dichte. Die Untersuchungen mit einem Siemens D4 Röntgendiffraktometer (XRD) mit einer Cu Κ _α Strahlung, zeigte keinerlei zusätzliche Phasen in diesen Tabletten, außer der erwünschten monoklinischen Kristallstruktur, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist. Als Referenz wurde der kristallographische Standard (JCPDS: 01-078-1041) eingesetzt, der in der Figur 2 ebenfalls zu sehen ist.

3. Untersuchungen der Gesamtleitfähigkeit von dichten Tabletten umfassend

Die gemäß Ausführungsbeispiel 2 hergestellten dichten, weißen gepressten Tabletten aus Na3 _i 4Sco _i 4Zr _{1 i} 6(Si0 ₄ )2(P0 ₄ ) wurden auf beiden flachen Seiten mit Gold beschichtet. Bei Temperaturen zwischen -20 °C und 100 °C wurden für die gepressten und gesinterten Tabletten Impedanzspektren mit einem herkömmlichen elektrochemischen System (Biologie VMP-300) mit einer AC-Frequenz von 7 MHZ bis 1 Hz aufgenommen. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopie lassen sich lonentransportvorgänge in Festkörpern untersuchen. Impedanzspektroskopische Messungen sind vergleichsweise einfach durchzuführen und liefern dennoch präzise Leitfähigkeitsergebnisse.

Zu Vergleichszwecken wurden einige der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen alternativ auch nach der sogenannten Pechini-Methode (US 3,330 697) synthetisiert. Dieser Prozess ähnelt der Sol-Gel-Herstellung. Eine wässrige Lösung entsprechender Oxide oder Salze wird mit einer α-Hydroxylkarbonsäure, beispielsweise Zitronensäure, vermischt. Dabei findet in der Lösung eine Chelatbildung oder die Ausbildung komplexer Ringverbindungen um die Metallkationen statt. Es wird ein polyhydroxyalkohol zugegeben und das Ganze auf Temperaturen zwischen 150 und 250 °C erwärmt, wodurch die Chelate polymerisieren oder große verbundene Netzwerke ausbilden. Das überschüssige Wasser wird durch Erhitzen entfernt, so dass sich ein festes Polymerharz bildet. Bei noch höheren Temperaturen zwischen 500 und 900 °C wird das Polymerharz zersetzt, bzw. verbrannt, wodurch zum Schluss ein Mischoxid erhalten wird. Die Verbindungen weisen kleine Teilchengrößen zwischen 0,5 und 1 μηι auf, die auf das innige Mischen auf atomarer Ebene zurückzuführen sind, wobei sich aber auch größere Agglomerate ausbilden. Tabelle 2: Vergleich der ionischen Leitfähigkeiten bei Raumtemperatur (25 °C) von Proben, die einmal erfindungsgemäß und alternativ nach der Pechini-Methode hergestellt wurden

Die Ergebnisse für die erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen sind in der Figur 3 dargestellt. Bei Raumtemperatur wurde eine Gesamtleitfähigkeit von ca. 4,0 · 10 ^~3 S/cm für die erfindungsgemäßen Naa^Sco^Zr^eiSiO^PO^-Tabletten ermittelt.

Der Vergleich mit den alternativ über den Sol-Gel-Weg hergestellten Verbindungen zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu deutlich verbesserten Leitfähigkeitswerten führt, die teilweise sogar um 20 % höher liegen. Es wird vermutet, dass das homogene Mischen am Anfang und die sehr kleinen Partikelgrößen des so erhaltenen Pulvers vorteilhaft zu diesen hohen ionischen Leitfähigkeitswerten führen.

Es sollte angeführt werden, dass die Messung der ionischen Leitfähigkeit auch von der Dichte der hergestellten Tabletten abhängt. Bei einer geringen Dichte der Tabletten würden die vorhandenen Poren das Ergebnis verfälschen. Es wird davon ausgegangen, dass man bei Proben, mit einer Dichte von mehr als 90 % der theoretischen Dichte, davon ausgehen kann, dass die gemessene Leitfähigkeit mit der ionischen Gesamtleitfähigkeit gleichgesetzt werden kann, insbesondere wenn die Proben eine Dichte von mehr als 95 % der theoretischen Dichte aufweisen. 4. Herstellung von 1000 q (1.910 Mol) Na^Scn ^Zn yiSiOd PC -Pulver

Es wurden 750,8 g ZrO(N0 ₃ ) ₂ , 334,0 g NaN0 ₃ und 39,51 g Sc ₂ 0 ₃ in 6 Liter deionisiertem Wasser unter Rühren gelöst. Nach dem Auflösen aller Salze wurde 1010 g Tetrapropyl- Orthosilikat zugegeben und weiterhin gerührt. Zur Beschleunigung der Hydrolyse des Tetra- ethyl-Orthosilikats wurde dem System noch 650 ml HN0 ₃ (65 Gew.-%) zugegeben. Nach der vollständigen Hydrolyse des Tetraethyl-Orthosilikats wurde ebenfalls unter Rühren 252,2 g an (NH ₃ ) ₂ HP0 ₄ zugegeben. Mit der Zugabe des Phosphates wechselte das bis dahin homo- ge vorliegende wässrige System zu einer Mischung, die dann kolloidale Ausfällungen an komplexen Zirkoniumoxid-Phosphat-Verbindungen aufwies.

Die Mischung mit den kolloidalen Ausfällungen wurde im Anschluss analog zum Ausführungsbeispiel 1 bei 90 °C für ca. 12 Stunden getrocknet und anschließend bei 800 °C für ca. 3 Stunden kalziniert. Nach dem Brennvorgang wurde ebenfalls ein weißes Pulver erhalten, welches anschließend in einer Kugelmühle mit Zirkoniumkugeln und mit Ethanol für weitere 48 Stunden gemahlen wurde.

Untersuchungen zur Mikrostruktur der erfindungsgemäß hergestellten

Na _3+x Sc _x Zr2. _x (Si0 ₄ )2(P0 ₄ )3-Verbindungen mit 0 < x < 2 zeigen, dass das kalzinierte Pulver eine Teilchengröße im Bereich von nur ca. 0,1 μιη aufweist. Damit liegt die Teilchengröße des über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Pulvers deutlich unterhalb der Teilchengröße der Pulver, die bislang über die konventionelle Festphasenreaktionsmethode erhalten werden.

In dieser Anmeldung zitierte Literatur:

WO 2014/052439 A1 ;

US 2010/0297537 A1 ;

US 3,330 697;

[1] M. A. Subramanian et al., J. Solid State Chem., Vol. 60, pp. 172 - 181 , 1985;

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