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DE102015005836A1 - Electrolyte, in particular solid electrolyte, preferably lithium ion-conducting material - Google Patents

Electrolyte, in particular solid electrolyte, preferably lithium ion-conducting material Download PDF

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DE102015005836A1
DE102015005836A1 DE102015005836.3A DE102015005836A DE102015005836A1 DE 102015005836 A1 DE102015005836 A1 DE 102015005836A1 DE 102015005836 A DE102015005836 A DE 102015005836A DE 102015005836 A1 DE102015005836 A1 DE 102015005836A1
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electrolyte
preferably above
lithium ion
cation
cations
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Ulrich Fotheringham
Meike Schneider
Maria-Louisa Reich
Miriam Kunze
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Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolyt, insbesondere Feststoffelektrolyt, bevorzugt lithiumionenleitendes Material, wobei der Feststoffelektrolyt, insbesondere das lithiumionenleitende Material ein vernetztes System ist, in dem für eine gegebene Stöchiometrie der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen, jeweils multipliziert mit der Oxidationszahl jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel Zahlen ergibt, die größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” sind, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivität ε des Elektrolyten, insbesondere Feststoffelektrolyten, bevorzugt des lithiumionenleitenden Materiales oberhalb des Wertes 23,9817 – 31241,5/I* + 0,0000194269·I*, bevorzugt oberhalb 25,0319 – 33014,0/I* + 0,0000207389·I*, weiter bevorzugt oberhalb 26,1809 – 34971,4/I* + 0,0000221847·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 27,4431 – 37144,2/I* + 0,0000237855·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 28,8365 – 39570,2/I* + 0,0000255681·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 30,3821 – 42296,2/I* + 0,000027565·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 32,1061 – 45381/I* + 0,0000298173·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 34,0414 – 48900,8/I* + 0,0000323777·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 36,2286 – 52953,6/I* + 0,0000353135·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 38,7201 – 57670,8/I* + 0,0000387142·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 41,583 – 63229,0/I* + 0,0000426993·I* liegt, wobei I* die normierte Ionenstärke ist.The invention relates to an electrolyte, in particular solid electrolyte, preferably lithium ion-conducting material, wherein the solid electrolyte, in particular the lithium ion-conducting material is a crosslinked system in which for a given stoichiometry of the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi and the sum of all cation Oxidation numbers, in each case multiplied by the oxidation number of each of the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, whose mean weighted by the relative abundance of each cation gives numbers greater than "one", preferably greater than "two", characterized in that the relative permittivity ε of the electrolyte, in particular solid electrolyte, preferably of the lithium ion-conducting material above the value of 23.9817-312 41.5 / I * + 0.0000194269 * I *, preferably above 25.0319 - 33014.0 / I * + 0.0000207389 * I *, more preferably above 26.1809 - 34971.4 / I * + 0, 0000221847 * I *, even more preferably above 27.4431 - 37144.2 / I * + 0.0000237855 * I *, even more preferably above 28.8365 - 39570.2 / I * + 0.0000255681 * I *, still more preferably above 30.3821 - 42296.2 / I * + 0.000027565 * I *, even more preferably above 32.1061 - 45381 / I * + 0.0000298173 * I *, even more preferably above 34.0444-48900 , More preferably above 36.2286 - 52953.6 / I * + 0.0000353135 * I *, even more preferably above 38.7201 - 57670.8 / I * + 0.0000387142 * I *, even more preferably above 41.583 - 63229.0 / I * + 0.0000426993 * I *, where I * is the normalized ionic strength.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt, insbesondere einen Feststoffelektrolyt, bevorzugt ein lithiumionenleitendes Material als Feststoffelektrolyt. Bei dem Feststoffelektrolyt handelt es sich um ein anorganisches Material, das als Feststoffelektrolyt geeignet ist, speziell ein Separatormaterial für eine Lithiumionenbatterie.The invention relates to an electrolyte, in particular a solid electrolyte, preferably a lithium ion-conducting material as a solid electrolyte. The solid electrolyte is an inorganic material suitable as a solid electrolyte, especially a separator material for a lithium ion battery.

Angaben zum Aufbau solcher Systeme und die beteiligten Materialien finden sich in Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S. Moganty, Praveen Agarwal, N. Jayaprakash, Lynden A. Archer, Electrolytes for high-energy lithium batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), S. 91–109 sowie in der Patentschrift US 2009/0317724A1 . Feststoffelektrolyten für Lithiumbatterien sollen eine hohe, fast ausschließlich auf der Bewegung von Lithium-Ionen beruhende elektrische Bulk-Leitfähigkeit aufweisen und, dementsprechend einen vernachlässigbaren elektronischen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit. Des Weiteren soll der Elektrolyt, insbesondere der Feststoffelektrolyt auch Stabilität gegen chemische Reaktionen mit den Elektroden, speziell mit elementarem Lithium und Lithiumlegierungen aufweisen sowie zu den Elektrodenmaterialien passende thermische Ausdehnungskoeffizienten, Umweltverträglichkeit, leichte Handhabbarkeit und geringe Kosten. Diesbezüglich wird auf Philippe Knauth: Inorganic solid Li ion conductors: An overview. Solid State Ionics 180 (2009), Seiten 911–916 verwiesen, dessen Offenbarungsgehalt vollumfänglich mit eingeschlossen wird. Weiterhin ist es im Fall von polykristallinen, keramischen Materialien vorteilhaft, wenn die Korngrenzenwiderstände vernachlässigbar sind.. Die gewünschten Eigenschaften müssen aber nicht nur für eine bestimmte Temperatur, sondern für einen Temperaturbereich gelten bzw. eingehalten werden. So wird eine bestimmte Konstanz der Ionenleitfähigkeit über diesen Temperaturbereich gefordert. Speziell für Anwendungen im Militärbereich wird eine derartige Konstanz im Temperaturbereich von –50°C bis 80°C gefordert Es ist somit Aufgabe der Erfindung, Elektrolyten, insbesondere Feststoffelektrolyten abzugeben, deren Ionenleitfähigkeit in einem bestimmten Temperaturbereich minimale bzw. geringe Abweichungen zeigen, d. h. weitgehend konstant sind. Der genaue Wert der Ionenleitfähigkeit ist gegenüber der Konstanz über einen bestimmten Temperaturbereich von einer untergeordneten Rolle.Information on the structure of such systems and the materials involved can be found in Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S. Moganty, Praveen Agarwal, N. Jayaprakash, Lynden A. Archer, Electrolytes for High-Energy Lithium Batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), pp. 91-109 as well as in the patent US 2009 / 0317724A1 , Solids electrolytes for lithium batteries are said to have a high electrical bulk conductivity based almost exclusively on the movement of lithium ions and, accordingly, a negligible electronic contribution to electrical conductivity. Furthermore, the electrolyte, in particular the solid electrolyte, should also have stability against chemical reactions with the electrodes, especially with elemental lithium and lithium alloys, and thermal expansion coefficients suitable for the electrode materials, environmental compatibility, easy handling and low costs. This will be on Philippe Knauth: Inorganic solid Li ion conductors: An overview. Solid State Ionics 180 (2009), pages 911-916 whose disclosure is fully included. Furthermore, in the case of polycrystalline ceramic materials, it is advantageous if the grain boundary resistances are negligible. However, the desired properties do not have to apply or be maintained only for a specific temperature but for a temperature range. Thus, a certain constancy of ionic conductivity over this temperature range is required. Such a consistency in the temperature range of -50 ° C to 80 ° C is required especially for military applications. It is therefore an object of the invention to deliver electrolytes, in particular solid electrolytes whose ionic conductivity in a certain temperature range show minimal or small deviations, ie substantially constant are. The exact value of the ionic conductivity is of subordinate importance over the constancy over a certain temperature range.

JP5074466B2 beschreibt einen polymerbasierten Feststoffelektrolyten, wobei die Leitfähigkeit durch Beimischung eines leitfähigen Pulvers dargestellt wird und das Basispolymer eine Mindestpermittivität aufweist. US2003143467A1 beschreibt einen Elektrolyten auf Basis einer organischen Flüssigkeit, wobei die Leitfähigkeit durch Beimischung eines leitfähigen Ton-Pulvers dargestellt wird und die Flüssigkeit eine hohe Permittivität aufweist. US2007092801A1 beschreibt einen Elektrolyten auf Basis einer Salzschmelze mit permittivitätserhöhenden Komponenten. JP5074466B2 describes a polymer-based solid electrolyte wherein the conductivity is represented by admixing a conductive powder and the base polymer has a minimum permittivity. US2003143467A1 describes an organic liquid-based electrolyte wherein the conductivity is represented by admixing a conductive clay powder and the liquid has a high permittivity. US2007092801A1 describes an electrolyte based on a molten salt with permittivitätserhöhen components.

KR20070082402A1 von LG Chemical Ltd. beschreibt einen speziellen Elektrolyten (Separator), der aus porösen anorganischen Partikeln in einer organischen Matrix besteht, und bei dem die anorganischen Partikel eine relative Permittivität von mindestens 5 haben. KR20070082402A1 from LG Chemical Ltd. describes a special electrolyte (separator) consisting of porous inorganic particles in an organic matrix and in which the inorganic particles have a relative permittivity of at least 5.

US2009317724A1 beschreibt einen Elektrolyten aus Glaskeramik oder Polymer-Keramik mit einem dielektrischen Additiv aus der Gruppe Lithiumoxid, Bornitrid, Siliziumoxid, Alumiumoxid, Kalziumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Lithiumaluminat und Siliziumnitrid. US2009317724A1 describes a glass-ceramic or polymer-ceramic electrolyte with a dielectric additive selected from the group consisting of lithium oxide, boron nitride, silicon oxide, alumina, calcium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, lithium aluminate and silicon nitride.

Aufgabe der Erfindung ist, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung einen Ionenleiter anzugeben, der über einen bestimmten Temperaturbereich, insbesondere den Temperaturbereich von –50°C bis +80°C eine Ionenleitfähigkeit aufweist, die über diesen Temperaturbereich weitgehend konstant ist. Dies entspricht, wie weiter unten ausgeführt wird, einer niedrigen Aktivierungsenthalpie der Ionenbewegung im Feststoffelektrolyten.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide an ionic conductor which has an ionic conductivity over a certain temperature range, in particular the temperature range from -50 ° C. to + 80 ° C., which is largely constant over this temperature range. This corresponds, as will be explained below, to a low activation enthalpy of the ion movement in the solid electrolyte.

Die Aufgabe der Erfindung wird überraschenderweise gelöst, wenn der Elektrolyt, bevorzugt das lithiumionenleitende Material gemäß Anspruch 1 ausgeführt ist. Weiterbildungen, insbesondere spezielle lithiumionenleitende Materialien sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of the invention is surprisingly achieved when the electrolyte, preferably the lithium ion-conducting material is designed according to claim 1. Further developments, in particular special lithium ion-conducting materials are the subject of the dependent claims.

Besonders bevorzugt sind oxidische, sulfidische oder nitridische Verbindungen (oder Mischformen).Particular preference is given to oxidic, sulphidic or nitridic compounds (or mixed forms).

Um die Aktivierungsenthalpie der Ionen im Feststoffelektrolyten zu bestimmen, betrachtet man den Feststoffelektrolyten als dielektrisches Kontinuum mit einem darin verteilten bzw. „gelösten” Leitoxid, im Sinne einer Erweiterung des Konzepts der ”interstitial solid solution”, von A. Tiwari, Nanostructured materials research laboratory University of Utah. Im Falle eines Lithiumionenleiters, wie er hier beispielhaft betrachtet wird, wird als Leitoxid Li2O angenommen. Die ”Matrix” bildet dann das dielektrische Kontinuum.In order to determine the activation enthalpy of the ions in the solid electrolyte, the solid electrolyte is regarded as a dielectric continuum with a dispersed or "dissolved" conductive oxide, in the sense of an extension of the concept of "interstitial solid solution", by A. Tiwari, Nanostructured materials research laboratory University of Utah. In the case of a lithium ion conductor, as exemplified here, Li 2 O is assumed as the lead oxide. The "matrix" then forms the dielectric continuum.

Alternativ können auch ein Leitsulfid oder ein Leitnitrid oder eine Mischform eingesetzt werden. Aus einer solchen Betrachtung des dielektrischen Kontinuums ergibt sich, dass die Matrix eine möglichst hohe Permittivität haben sollte. Je größer diese Permittivität, desto geringer ist die Wechselwirkung zwischen den beiden Ionen des Leitoxids, also Lithium und Sauerstoff, und desto freier beweglich ist das Lithiumion. Alternatively, a lead sulfide or a lead nitride or a mixed form can be used. From such a consideration of the dielectric continuum, it follows that the matrix should have as high a permittivity as possible. The larger this permittivity, the lower the interaction between the two ions of the Leitoxids, so lithium and oxygen, and the more freely mobile is the lithium ion.

Das Gegenion, im Falle eines Leitoxids also der Sauerstoff, kann unbeweglich und in die Matrix eingebaut sein. In diesem Fall sind die positiv geladenen Ionen identisch zu den Lithiumionen und die negativ geladenen Gegenionen sind negative Überschußladungen tragende Defekte. Diesbezüglich wird auf Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246–349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, insbesondere S. 307 verwiesen, dessen Offenbarungsgehalt in vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.The counterion, in the case of a Leitoxids so the oxygen, can be immobile and built into the matrix. In this case, the positively charged ions are identical to the lithium ions and the negatively charged counterions are negative excess charge carrying defects. This will be on Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbook of Physics 20, 246-349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, especially p. 307 the disclosure of which is incorporated in the present application.

Man kann das zuvor Dargestellte quantifizieren, indem man ein Termschema für die Lithiumionen aufstellt. Wenn man zunächst annimmt, dass das Energieniveau der Lithiumionen nur durch das Dielektrikum bestimmt wird und dass Wechselwirkungen mit anderen Ionen, insbesondere den Gegenionen, vernachlässigbar sind, dann befindet sich ein Lithiumion auf einem Energieniveau, das sich näherungsweise aus der Bornschen Formel für die freie Solvatationsenthalpie bestimmen läßt. Diesbezüglich wird auf M. Born, Volumen und Hydratationswärme der Ionen, Zeitschrift für Physik, Nr. 1, S. 45–48 (1920) verwiesen. Dieser Zustand ist der Zustand eines im Dielektrikum frei beweglichen Ions und entspricht daher dem angeregten Zustand eines Ions im Feststoffelektrolyten, d. h. nach Zuführen der Aktivierungsenthalpie. Diese Aktivierungsenthalpie ist notwendig, damit das Lithiumion sich aus der von angrenzenden negativen Ladungen gebildeten Potentialmulde, in der es sich sonst befindet, herausbewegen kann.It is possible to quantify what has been shown above by establishing a term scheme for the lithium ions. Assuming first that the energy level of the lithium ions is only determined by the dielectric and that interactions with other ions, especially the counterions, are negligible, then a lithium ion is at an energy level approximately from the Born's formula for the free solvation enthalpy determine. This will be on M. Born, Volume and Hydration Heat of the Ions, Zeitschrift für Physik, No. 1, pp. 45-48 (1920) directed. This state is the state of an ion which is freely mobile in the dielectric and therefore corresponds to the excited state of an ion in the solid electrolyte, ie after the activation enthalpy has been supplied. This activation enthalpy is necessary for the lithium ion to move out of the potential well formed by adjacent negative charges in which it otherwise resides.

Diese genannte Potentialmulde ist keine feste Bindung, sondern eine mögliche Position, in der sich ein mobiles Ion befinden kann. Der Wechsel eines Ions von einem immobilen, fest gebundenen Zustand in einen mobilen, Zustand erfordert zusätzliche Energie.This potential well is not a fixed bond but a possible position in which a mobile ion can be located. Changing an ion from an immobile, tightly bound state to a mobile, state requires additional energy.

Nach Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246–349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, speziell S. 307 , kann man die für den Platzwechsel eines mobilen Ions notwendige Aktivierungsenthalpie näherungsweise mit Hilfe der erweiterten Debye-Hückel-Theorie berechnen. Allerdings sind die bei Ionenleitern üblichen Ladungsträgerkonzentrationen wesentlich größer als es zu dem allgemein angegebenen Gültigkeitsbereich der erweiterten Debye-Hückel-Theorie passtZudem ist zu berücksichtigen, dass es sich bei der Debye-Hückel-Theorie um eine Flüssigkeitstheorie handelt.To Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246-349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, especially p. 307 , one can calculate the activation enthalpy necessary for the exchange of a mobile ion approximately using the extended Debye-Hückel theory. However, the charge carrier concentrations customary with ion conductors are considerably larger than fits the generally stated scope of the extended Debye-Hückel theory. It should also be considered that the Debye-Hückel theory is a fluid theory.

Überraschenderweise wurde für die erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyte gefunden, dass sich die Aktivierungsenthalpien bekannter Ionenleiter trotzdem sehr gut mit Hilfe der erweiterten Debye-Hückel-Theorie, berechnen lassen, so dass die erweiterte Debye-Hückel-Theorie zusammen mit einer Kontinuumsbetrachtung eines Ionenleiters die erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyte beschreiben.Surprisingly, it was found for the solid electrolytes according to the invention that the activation enthalpies of known ion conductors can nevertheless be calculated very well with the aid of the extended Debye-Hückel theory, so that the extended Debye-Hückel theory together with a continuum analysis of an ion conductor describe the solid-state electrolytes according to the invention.

Eine erfolgreiche Anwendung der Debye-Hückel-Theorie bei der Bildung von Polarisationsschichten an blockierenden Elektroden bei Ionenleitern ist beschrieben in J. C. Dyre, P. Maass, B. Roling, D. L. Sidebottom, ”Fundamental questions relating to ion conduction in disordered solids”, Rep. Prog. Phys. 72 (2009), 046501 .A successful application of the Debye-Hückel theory in the formation of polarization layers on blocking electrodes in ionic conductors is described in JC Dyre, P. Maass, B. Roling, DL Sidebottom, "Fundamental questions concerning ion conduction in disordered solids", Rep. Prog. Phys. 72 (2009), 046501 ,

Bezüglich der Formeln zur erweiterten Debye-Hückel-Theorie wird auf R. Schäfer, Unterlagen zum Fortgeschrittenen-Praktikum Physikalische Chemie I, Website, TU Darmstadt, Zugriff 23.8.2013 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die Anmeldung mitaufgenommen wird. Im Gegensatz zu Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246–349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, speziell S. 307 , wird in der Arbeit von Schäfer der Debye-Hückel-Ausdruck nicht als Energie, sondern als freie Enthalpie gewertet, so dass eine Umrechnung mit Hilfe einer Maxwell-Relation notwendig ist, um von der freien Enthalpie auf die Enthalpie zu gelangen. Dies wird im nachfolgenden angewandt.Regarding the formulas for the extended Debye-Hückel theory, reference is made to R. Schäfer, Documents on the Advanced Practical Course Physikalische Chemie I, Website, TU Darmstadt, Access 23.8.2013, the disclosure of which is included in full in the application. In contrast to Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246-349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, especially p. 307 , in the work of Schäfer the Debye-Hückel expression is not considered as energy, but as free enthalpy, so that a conversion by means of a Maxwell relation is necessary to get from the free enthalpy to the enthalpy. This will be applied below.

Für die Abweichung des chemischen Potentials der Ionen mit Valenz zi vom Verhalten der ideal verdünnten Lösung erhält man damit, also nach der erweiterten Debye-Hückel-Theorie:

Figure DE102015005836A1_0001
wobei e die Elementarladung, ε die relative Permittivität, ε0 die Vakuumpermittivität, NA die Avogadrozahl, R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur und a der Ionenradius ist. Der Ionenradius beträgt für Li 90 pm, ( R. D. Shannon, ”Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides”, Acta Cryst, 1976, S. 751–767 ). Dabei handelt es sich jeweils um den – nach Shannon – im Vergleich zu anderen Ionenradiusangaben realistischeren „Crystal Radius”. Außerdem wird eine sechsfache Koordination mit den umgebenden Sauerstoffatomen unterstellt. Diese Annahme passt, wenn man die verschiedenen möglichen Koordinationen und die zugehörigen Ionenradien ansieht, am besten zu den Paulingschen Packungsregeln, siehe L. Pauling, ”The principles determining the structure of complex ionic crystals”, J. Am. Chem. Soc. 51 (4), 1929, S. 1010–1026 . Die Ionenstärke I (in Mol pro Volumen) ist nach R. Schäfer, Unterlagen zum Fortgeschrittenen-Praktikum Physikalische Chemie I, Website, TU Darmstadt, Zugriff 23.8.2013 , definiert als:
Figure DE102015005836A1_0002
For the deviation of the chemical potential of the ions with valence z i from the behavior of the ideally diluted solution, one obtains with it, thus according to the extended Debye-Hückel theory:
Figure DE102015005836A1_0001
where e is the elementary charge, ε the relative permittivity, ε 0 the vacuum permittivity, N A the Avogadro number, R the gas constant, T the absolute temperature and a the ionic radius. The ionic radius for Li is 90 pm, ( RD Shannon, "Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides", Acta Cryst, 1976, pp. 751-767 ). These are each - according to Shannon - compared to other ionic radius data more realistic "Crystal Radius". In addition, a sixfold coordination with the surrounding oxygen atoms is assumed. This assumption, when considering the different possible coordinations and the associated ionic radii, fits best with Pauling's packing rules, see L. Pauling, "The principles of the structure of complex ionic crystals", J. Am. Chem. Soc. 51 (4), 1929, pp. 1010-1026 , The ionic strength I (in moles per volume) is after R. Schäfer, Advanced Physics Chemistry I, Website, TU Darmstadt, Access 23.8.2013 , defined as:
Figure DE102015005836A1_0002

Ni ist dabei die Zahl der j-ten Ionensorte (betrachtet werden hier nur die Lithiumionen und die zur Ladungskompensation der Lithiumionen notwendigen Sauerstoffionen) im Volumen V.N i is the number of the j-th ion species (only the lithium ions and the oxygen ions necessary for the charge compensation of the lithium ions are considered) in volume V.

Gegenüber Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246–349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, speziell S. 307 , wird die vereinfachende Annahme getroffen, dass alle Lithiumionen gleichermaßen mobil sind und alle für den Ladungstransport zur Verfügung stehen.Across from Alan B. Lidiard, Ionic conductivity, Handbuch der Physik 20, 246-349, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1957, especially p. 307 , the simplifying assumption is made that all lithium ions are equally mobile and all are available for charge transport.

Mit der folgenden Maxwell-Relation, ( M. Ding, K. Xu, S. Zhang, T. R. Jow, K. Amine, G. Henriksen, „Change of Conductivity with Salt Content, Solvent Composition, and Temperature for Electrolytes of LiPF6 in Ethylene Carbonate-Ethyl Methyl Carbonate”. Journal of The Electrochemical Society, 148, 2001, S. A1196–Al204 )

Figure DE102015005836A1_0003
erhält man dann für die Enthalpie pro Teilchen hi:
Figure DE102015005836A1_0004
With the following Maxwell relation, ( M. Ding, K. Xu, S. Zhang, TR Jow, K. Amine, G. Henriksen, "Change of Conductivity with Salt Content, Solvent Composition, and Temperature for Electrolytes of LiPF6 in Ethylene Carbonate-Ethyl Methyl Carbonate". Journal of The Electrochemical Society, 148, 2001, p. A1196-Al204 )
Figure DE102015005836A1_0003
then one obtains for the enthalpy per particle h i :
Figure DE102015005836A1_0004

Diese Aktivierungsenthalpie hängt von der Ionenstärke I und der Permittivität ε ab.This activation enthalpy depends on the ionic strength I and the permittivity ε.

Mit der Permeabilität der Matrix ist die Hintergrundpermeabilität gemeint, also die Permeabilität, die sich aus der Summe aus elektronischer und ionischer Polarisierbarkeit ergibt, ohne den Anteil, der sich aus der Leitfähigkeit selbst ergibt. Diese Hintergrundpermeabilität ist der Anteil der Permeabilität, den man bei Frequenzen unterhalb des Infrarots misst, ( Charles Kittel, Einführung in die Festkörperphysik, 5. Auflage, R. Oldenbourg-Verlag München Wien, 1980, S. 441 ), bis zu Frequenzen, bei denen der Effekt der Leitfähigkeit eintritt, ( Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, „On the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?”, Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452–2458 (2009) ). Orientierungspolarisationseffekte durch Ausrichtung permanenter Dipole gibt es in den betrachteten Feststoffelektrolyten nicht.By permeability of the matrix is meant the background permeability, ie the permeability resulting from the sum of electronic and ionic polarizability, without the fraction resulting from the conductivity itself. This background permeability is the percentage of permeability measured at frequencies below the infrared ( Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, 5th Edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441 ), up to frequencies at which the effect of conductivity occurs ( Ekaterina I. Igorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constant of ionic liquids: ionic polarization?", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009) ). Orientation polarization effects due to alignment of permanent dipoles do not exist in the considered solid electrolyte.

Die so bestimmte Aktivierungsenthalpie ist, wie oben gesagt, eine wichtige Größe und das in zweifacher Hinsicht. Sie hat, wie oben ebenfalls aufgeführt, einen Einfluss auf die Ionenbeweglichkeit und trägt so neben der Ladungsträgerdichte, der Zahl freier (Zwischen-)Gitterplätze u. a. zur Größenordnung der Ionenleitfähigkeit im gewünschten Temperaturbereich bei, z. B. in der Umgebung der Raumtemperatur. Außerdem ist sie entscheidend für die Konstanz der Ionenleitfähigkeit in einem Temperaturbereich, insbesondere im Bereich –50°C bis +80°C ist.The activation enthalpy thus determined is, as stated above, an important factor and in two ways. It has, as also listed above, an influence on the ion mobility and thus contributes in addition to the carrier density, the number of free (intermediate) lattice sites u. a. the magnitude of the ionic conductivity in the desired temperature range at, for. B. in the environment of room temperature. In addition, it is crucial for the constancy of the ionic conductivity in a temperature range, in particular in the range -50 ° C to + 80 ° C.

Hierzu wird ein die Aktivierungsenthalpie enthaltender Ausdruck für die Ionen-(Gleichstrom-)Leitfähigkeit betrachtet. Im einfachsten Fall wird diese, wie in N. Dietrich, Herstellung und Charakterisierung von β-Eukryptit und modifizierten Eukryptit-Keramiken LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) für die Verwendung als Hochleistungswerkstoffe, Dissertation, Universität Saarbrücken, Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie, 2007 formuliert, durch ein einfaches Arrheniusgesetz dargestellt:

Figure DE102015005836A1_0005
For this, an expression of ionic (DC) conductivity containing the enthalpy of activation is considered. In the simplest case, this is, as in N. Dietrich, preparation and characterization of β-eukryptite and modified eucryptite ceramics LiAl 1-y M y SiO 4 (M = Cr, Mn, Fe) for use as High Performance Materials, Dissertation, Saarbrücken University, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry and Radiochemistry, formulated in 2007, represented by a simple Arrhenius law:
Figure DE102015005836A1_0005

Dabei ist σ0 ein Vorfaktor, in den u. a. die Dichte der Ladungsträger pro Volumen, die mittlere Sprungweite, die Sprungversuchsfrequenz und die Dichte der für einen Sprung notwendigen freien (Zwischen-)Gitterplätze, eingehen.In this case, σ 0 is a prefactor, which includes the density of the charge carriers per volume, the mean jump distance, the jump test frequency and the density of the free (intermediate) lattice sites necessary for a jump.

Theoretisch befriedigender ist der nachfolgende Ansatz ( N. Dietrich, Herstellung und Charakterisierung von β-Eukryptit und modifizierten Eukryptit-Keramiken LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) für die Verwendung als Hochleistungswerkstoffe, Dissertation, Universität Saarbrücken, Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie, 2007 ):

Figure DE102015005836A1_0006
Theoretically more satisfying is the following approach ( N. Dietrich, Production and Characterization of β-Eucryptite and Modified Eucryptite Ceramics LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) for High Performance Materials, Dissertation, Saarbrücken University, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry and Radiochemistry, 2007 ):
Figure DE102015005836A1_0006

In Gleichung (6) steht im Exponentialterm die Boltzmann-Konstante k, die absolute Temperatur T und eben die Aktivierungsenergie bzw. -enthalpie EA. Das Gleichsetzen von Enthalpie und Energie ist bei Festkörpern legitim. EA entspricht somit hi aus Gleichung (4).In equation (6) the Boltzmann constant k, the absolute temperature T and the activation energy or enthalpy E A are in the exponential term. Equation of enthalpy and energy is legitimate for solids. E A thus corresponds to h i from equation (4).

Die Umrechnung von EA* auf EA bei einer Temperatur T erfolgt so, dass man die Bedingung stellt, dass die relativen Steigungen beider Darstellungen bei dieser Temperatur T zusammenfallen. Dann muss man rechnen: EA = E * / A + kT (7) The conversion from E A * to E A at a temperature T takes place in such a way that the condition is set that the relative slopes of both representations coincide at this temperature T. Then you have to calculate: E A = E * / A + kT (7)

Eine möglichst hohe Konstanz der Ionenleitfähigkeit in einem Temperaturbereich wird dann erreicht, wenn der durch die Permittivität und die Ionenstärke bestimmte Wert für die Aktivierungsenthalpie möglichst klein ist. Dies wird dadurch erreicht, dass man Komponenten möglichst hoher Polarisierbarkeit wählt und die Ionenstärke geeignet bemisst. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Material so ausgewählt ist, dass die Voraussetzungen der erweiterten Debye-Hückel-Theorie möglichst gut erfüllt sind. Dies bedeutet, dass die kompensierenden Ladungen um das Kation herum möglichst wie in einer Flüssigkeit verteilt sind. Dies wird besonders gut in einem Glas als unterkühlter Flüssigkeit erreicht. Auch teil- oder polykristalline Materialien erfüllen diese Voraussetzungen gut.The highest possible constancy of the ion conductivity in a temperature range is achieved when the value for the activation enthalpy determined by the permittivity and the ionic strength is as small as possible. This is achieved by selecting components of the highest possible polarizability and appropriately measuring the ionic strength. It is particularly preferred if the material is selected so that the requirements of the extended Debye-Hückel theory are fulfilled as well as possible. This means that the compensating charges around the cation are as distributed as possible in a liquid. This is achieved particularly well in a glass as a supercooled liquid. Even partially or polycrystalline materials meet these requirements well.

Die Einstellung der Ionenstärke I erfolgt über die Stöchiometrie, die Einstellung der relativen Permittivität ε über die dielektrischen Polarisierbarkeiten der beteiligten Ionen. Bei der Auswahl der Komponenten kann man sich daran orientieren, dass die elektronische Polarisierbarkeit, also der Effekt der Verschiebung der jeweiligen Elektronenwolke gegenüber dem Kern, proportional zum Volumen des Ions ist. Diesbezüglich wird auf Jai Shanker, M. P. Verma, „Correlation between electronic polarizabilities and ionic radii in alkali halides”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Volume 37, Issue 9, 1976, Pages 883–885 und S. C. Agrawal, O. P. Sharma, Jai Shanker, „Effect of the crystal potential on electronic polarizabilities of ions in alkaline earth chalcogenides”, Pramana Journal of Physics, January 1978, Volume 10, Issue 1, pp 11–15 , verwiesen. Weiterhin wird verwiesen darauf, dass die ionische Polarisierbarkeit, also der Effekt der gegenseitigen Verschiebung von Ionen unterschiedlicher Ladung, ebenfalls bei großvolumigen und damit schwach gebundenen Ionen besonders groß ist, so dass man auch letztere als proportional zum Volumen der jeweiligen Ionen ansetzen kann. Diesbezüglich wird auf die Elektronegativitätstabelle in L. Pauling, ”The Nature of the Chemical Bond”, New York, Cornell University Press, 1960 verwiesen.The adjustment of the ionic strength I via the stoichiometry, the adjustment of the relative permittivity ε on the dielectric polarizabilities of the ions involved. In the selection of the components, it can be based on the fact that the electronic polarizability, ie the effect of the displacement of the respective electron cloud relative to the core, is proportional to the volume of the ion. This will be on Jai Shanker, MP Verma, Correlation between electronic polarities and ionic radii in alkali halides, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Volume 37, Issue 9, 1976, Pages 883-885 and SC Agrawal, OP Sharma, Jai Shanker, "Effect of the polar potential on electronic polarities in alkaline earth chalcogenides", Pramana Journal of Physics, January 1978, Volume 10, Issue 1, pp 11-15 , referenced. Furthermore, it is pointed out that the ionic polarizability, ie the effect of the mutual displacement of ions of different charge, is also great in the case of large-volume and thus weakly bound ions, so that the latter can also be considered proportional to the volume of the respective ions. In this regard, the electronegativity table in Pauling, The Nature of the Chemical Bond, New York, Cornell University Press, 1960 directed.

Für oxidische und fluoridische Systeme hat R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 , die „additivity rule” bezüglich der dielektrischen Polarisierbarkeit, also der Summe aus elektronischer Polarisierbarkeit und ionischer Polarisierbarkeit aufgestellt, nach der sich diese dielektrische Polarisierbarkeit in guter Näherung als lineare Superposition fester Werte für die dielektrischen Polarisierbarkeiten der Ionen darstellen lässt. Der Aufsatz von R. D. Shannon „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides” wird in vorliegende Anmeldung vollumfänglich mit eingeschlossen.For oxidic and fluoridic systems has RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 , the "additivity rule" with regard to the dielectric polarizability, ie the sum of electronic polarizability and ionic polarizability, according to which this dielectric polarizability can be represented to a good approximation as a linear superposition of fixed values for the dielectric polarizabilities of the ions. The paper by RD Shannon "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides" is fully incorporated herein by reference.

Die o. a. festen Werte für die Polarisierbarkeiten hat R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 tabelliert: Tabelle 1: Dielektrische Polarisierbarkeiten nach Shannon

Figure DE102015005836A1_0007
The above has fixed values for the polarizabilities RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 tabulated: Table 1: Dielectric polarizabilities according to Shannon
Figure DE102015005836A1_0007

Diese Werte werden auch für (teil-)sulfidische und (teil-)nitridische Systeme angewandt. Im Hinblick auf die o. a. Proportionalität der Polarisierbarkeit eines Atoms bzw. Ions zum atomaren bzw. ionischen Volumen werden nachfolgend für die Polarisierbarkeit des dreiwertigen Stickstoffanions und des zweiwertigen Schwefelanions Werte benutzt, die aus der Polarisierbarkeit des Sauerstoffanions durch Umrechnen mit Hilfe der Ionenradien berechnet werden. Die verwendeten Ionenradien werden R. D. Shannon, ”Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides”, Acta Cryst, 1976, S. 751–767 entnommen. Dabei handelt es sich um den nach R. D. Shannon a. a. O. im Vergleich zu anderen Ionenradiusangaben realistischeren „Crystal Radius”. Bei der Umrechnung vom Sauerstoffion auf das (wesentlich größere) Schwefelion bezieht man sich auf die Koordinationszahl „6” und erhält die dielektrische Polarisierbarkeit des Schwefelions zu 4,93 Å3. Bei der Umrechnung vom Sauerstoffion auf das (nur wenig größere) Stickstoffion bezieht man sich auf die Koordinationszahl „4” und erhält die dielektrische Polarisierbarkeit des Stickstoffions zu 2,42 Å3.These values are also used for (semi) sulphidic and (semi) nitridic systems. In view of the above proportionality of the polarizability of an atom to the atomic or ionic volume, values are subsequently used for the polarizability of the trivalent nitrogen anion and the divalent sulfur anion which are calculated from the polarizability of the oxygen anion by conversion using the ionic radii. The ionic radii used become RD Shannon, "Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides", Acta Cryst, 1976, pp. 751-767 taken. This is the RD Shannon aa O. more realistic compared to other ionic radius "Crystal Radius". When converting from the oxygen ion to the (much larger) sulfur ion, it refers to the coordination number "6" and obtains the dielectric polarizability of the sulfur ion to 4.93 Å 3 . When converting from the oxygen ion to the (only slightly larger) nitrogen ion, the coordination number "4" is used, giving the dielectric polarizability of the nitrogen ion as 2.42 Å 3 .

Zur oben nicht aufgeführten Polarisierbarkeit des Hafniumions wird auf A. Feteira, D. Sinclair, K. Rajab, M. Lanagan, „Crystal Structure and Microwave Dielectric Properties of Alkaline-Earth Hafnates, AHfO3 (A = Ba, Sr, Ca)”, J. Am. Ceram. Soc., 91 [3], 2008, S. 893–901 verwiesen.The polarizability of the hafnium ion, which is not mentioned above, becomes apparent A. Feteira, D. Sinclair, K. Rajab, M. Lanagan, "Crystal Structure and Microwave Dielectric Properties of Alkaline-Earth Hafnates, AHfO3 (A = Ba, Sr, Ca)", J. Am. Ceram. Soc., 91 [3], 2008, pp. 893-901 directed.

Die relative Permittivität wird mit diesen Angaben dann nach der Clausius-Mosotti-Gleichung aus der molekularen Gesamtpolarisierbarkeit am berechnet. Diesbezüglich wird auf R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in vorliegende Anmeldung miteingeschlossen wird.The relative permittivity is then calculated using this information according to the Clausius-Mosotti equation from the total molecular polarizability am. This will be on RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 The disclosure content of which is fully incorporated into the present application.

Figure DE102015005836A1_0008
Figure DE102015005836A1_0008

Die Formel (8) verwendet das Gauß'sche Einheitensystem. Vm steht für das Molekülvolumen.Formula (8) uses the Gaussian unit system. V m stands for the molecule volume.

In der folgenden Tabelle sind beispielhafte Werte für die Aktivierungsenthalpie h bei Raumtemperatur in Abhängigkeit von relativer Permittivität ε und Ionenstärke gemäß den zuvor ausführlich beschriebenen Formeln aufgeführt. Die Werte für die Ionenstärke I werden für zwei Glaskeramiken, die weiter unten noch näher betrachtet werden, nämlich LAS(Lithium Aluminium Silzium)-Glaskeramik mit einer Ionenstärke I von 31804 mol/m3 und LLZO (Lithium/Lanthan/Zirkoniumoxid, z. B. Li7La3Zr2O12 mit einer Ionenstärke I von 63768 mol/m3) sowie Lithium-Beta-Alumina mit einer Ionenstärke I von 11312 mol/m3 betrachtet. Der Zusammenhang zwischen Aktivierungsenthalpie h, Ionenstärke I und relativer Permittivität ε folgt aus der Formel (4). Die oben erfolgte Indizierung von „h” zur Kennzeichnung der betrachteten Ionensorte entfällt ab hier. „h” bezieht sich daher ab hier stets auf das Lithiumion.The following table lists exemplary values for the activation enthalpy h at room temperature as a function of relative permittivity ε and ionic strength according to the formulas described in detail above. The values for the ionic strength I are given for two glass-ceramics, which are considered in more detail below, namely LAS (lithium aluminum-silcium) glass-ceramics with an ionic strength I of 31804 mol / m 3 and LLZO (lithium / lanthanum / zirconium oxide, e.g. Li 7 La 3 Zr 2 O 12 with an ionic strength I of 63768 mol / m 3 ) and lithium beta-alumina with an ionic strength I of 11312 mol / m 3 . The relationship between activation enthalpy h, ionic strength I and relative permittivity ε follows from the formula (4). The above indexing of "h" to identify the considered ion species is omitted here. "H" therefore always refers to the lithium ion.

Den in diese Formel einzusetzenden Ionenradius von Lithium nehmen wir wie oben zu 90 pm an.

Figure DE102015005836A1_0009
Tabelle 2: Beispiele für den Zusammenhang zwischen Ionenstärke I, relativer Permittivität ε und Aktivierungsenthalpie h gemäß vorbeschriebener Theorie. Die Zeilen in Tabelle 2 beziehen sich auf feste Ionenstärken, die Spalten auf feste relative Permittivitäten und die Tabelleneinträge auf die sich hieraus ergebenden Aktivierungsenthalpien h. The ionic radius of lithium to be used in this formula is assumed to be 90 μm as above.
Figure DE102015005836A1_0009
Table 2: Examples of the relationship between ionic strength I, relative permittivity ε and activation enthalpy h according to the above-described theory. The rows in Table 2 refer to fixed ionic strengths, the columns to fixed relative permittivities and the table entries to the resulting activation enthalpies h.

Durch Interpolation oder Rechnung mit Gleichung (4) stellt man fest, dass für die niedrigste der betrachteten Ionenstärken – 11312 mol/m3 – ab einer relativen Permittivität ε von ca. 21,5 eine Aktivierungsenthalpie von unter 0,265 eV erreicht wird. Dieser Wert hat eine besondere Bedeutung.By interpolation or calculation with equation (4) it is found that for the lowest of the considered ionic strengths - 11312 mol / m 3 - from a relative permittivity ε of about 21.5, an activation enthalpy of below 0.265 eV is achieved. This value has a special meaning.

Unterhalb dieser Aktivierungsenthalpie unterscheiden sich die Leitfähigkeiten an den Grenzen –50°C und +80°C des zu betrachtenden Temperaturbereiches Eckpunkten der um weniger als den Faktor 100, siehe Gleichung (6). Bei der mittleren Ionenstärke (31804 mol/m3) ist das erst ab einer relativen Permittivität ε von ca. 23,7 der Fall und bei der höchsten betrachteten Ionenstärke von 63768 mol/m3 erst ab einem ε von ca. 24,7.Below this activation enthalpy, the conductivities at the limits -50 ° C and + 80 ° C of the temperature range to be considered differ vertices of less than a factor of 100, see equation (6). At the average ionic strength (31804 mol / m 3 ) this is only the case from a relative permittivity ε of about 23.7 and at the highest considered ionic strength of 63768 mol / m 3 only from an ε of about 24.7.

Man kann letzteres mit einer einfachen mathematischen Formel darstellen, wenn man auf den in Formel (4) dargestellten Zusammenhang zwischen der Aktivierungsenthalpie einerseits und der Ionenstärke I sowie der Permittivität ε andererseits zurückgeht. Dieser Zusammenhang wird partiell invertiert und die zu einer bestimmten Aktivierungsenthalpie und zu einer bestimmten Ionenstärke I gehörende relative Permittivität betrachtet. Die Temperatur und der Ionenradius sind dabei fest; im vorliegenden Fall sind dies die Raumtemperatur und der Ionenradius von Lithium. Die zu den interessierenden Parameterbereichen gehörenden Zahlenwerte kann man der o. a. Tabelle ablesen. Um zu einer einfachen mathematischen Formel zu kommen, interpoliert man diese Zahlenwerte. Die verwendete Interpolation umfasst dabei die minus erste bis minus zweite Ordnung in der Aktivierungsenthalpie, die minus erste bis erste Ordnung in der Ionenstärke sowie alle daraus kombinierbaren Mischterme. Wir führen jetzt noch die dimensionslose Ionenstärke I* = I/(mol/m3) ein und erhalten, dass die relative Permittivität oberhalb des Wertes 23,9817 – 31241,5/I* + 0,0000194269·I* liegen muss, um wiederum eine Aktivierungsenthalpie von unter 0,265 eV zu erhalten. Wie man weiter abstufen kann, entnimmt man der folgenden Tabelle: Tabelle 3: Erfindungsgemäße relative Permittivitäten ε zur Erreichung erwünschter maximaler Änderungen der Ionenleitfähigkeit im Bereich –50°C bis +80°C

Figure DE102015005836A1_0010
The latter can be represented by a simple mathematical formula, if the relationship between the activation enthalpy on the one hand and the ionic strength I as well as the permittivity ε on the other hand is inferred from the relationship (4). This relationship is partially inverted and considered relative to a certain enthalpy of activation and to a certain ionic strength I relative permittivity. The temperature and the ionic radius are fixed; in the present case, these are the room temperature and the ionic radius of lithium. The numerical values belonging to the parameter ranges of interest can be read off the table above. To arrive at a simple mathematical formula, one interpolates these numerical values. The interpolation used here includes the minus first to minus second order in the enthalpy of activation, the minus first to first order in the ionic strength and all the mixed terms that can be combined therefrom. We now introduce the dimensionless ionic strength I * = I / (mol / m 3 ) and obtain that the relative permittivity must be above the value 23.9817 - 31241.5 / I * + 0.0000194269 · I * again to obtain an activation enthalpy of less than 0.265 eV. The following table shows how to further graduate: Table 3: Relative permittivities ε according to the invention for achieving the desired maximum changes in ionic conductivity in the range from -50 ° C to + 80 ° C
Figure DE102015005836A1_0010

Erfindungsgemäß sind Ionenleiter, die eine dieser Bedingungen erfüllen, und die vorzugsweise mindestens teilweise aus Glasbildnern für oxidische Gläser bestehen.According to the invention, ion conductors which fulfill one of these conditions, and which preferably at least partially consist of glass former for oxide glasses.

Dies bedeutet, daß bei der Erfindung die Elektrolyte vernetzte Systeme sind, in denen für eine gegebene Stöchiometrie der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen für jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, mit dessen Oxidationszahl multipliziert, Zahlen ergibt, deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” sind. Die relative Permittivität ε des Elektrolyten, insbesondere Feststoffelektrolyten, bevorzugt des lithiumionenleitenden Materiales liegt oberhalb des Wertes
23,9817 – 31241,5/I* + 0,0000194269·I*,
bevorzugt oberhalb
25,0319 – 33014,0/I* + 0,0000207389·I*, weiter bevorzugt oberhalb
26,1809 – 34971,4/I* + 0,0000221847·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
27,4431 – 37144,2/I* + 0,0000237855·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
28,8365 – 39570,2/I* + 0,0000255681·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
30,3821 – 42296,2/I* + 0,000027565·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
32,1061 – 45381/I* + 0,0000298173·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
34,0414 – 48900,8/I* + 0,0000323777·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
36,2286 – 52953,6/I* + 0,0000353135·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
38,7201 – 57670,8/I* + 0,0000387142·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb
41,583 – 63229,0/I* + 0,0000426993·I*
wobei I* die normierte Ionenstärke des Elektrolyten ist.
This means that in the invention the electrolytes are crosslinked systems in which, for a given stoichiometry, the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi and the sum of all cation oxidation numbers for each of the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi multiplied by its oxidation number , Gives numbers whose mean weighted by the relative abundance of the respective cation is greater than "one", preferably greater than "two". The relative permittivity ε of the electrolyte, in particular solid electrolyte, preferably of the lithium ion-conducting material is above the value
23.9817 - 31241.5 / I * + 0.0000194269 · I *,
preferably above
25.0331 - 33014.0 / I * + 0.0000207389 * I *, more preferably above
26,1809 - 34971,4 / I * + 0,0000221847 · I *, even more preferably above
27,4431 - 37144,2 / I * + 0,0000237855 * I *, even more preferably above
28,8365 - 39570,2 / I * + 0,0000255681 * I *, even more preferably above
30.3821 - 42296.2 / I * + 0.000027565 * I *, even more preferably above
32,1061-45381 / I * + 0,0000298173 * I *, even more preferably above
34.0414 - 48900.8 / I * + 0.0000323777 * I *, even more preferably above
36,2286 - 52953,6 / I * + 0,0000353135 · I *, even more preferably above
38,7201 - 57670,8 / I * + 0,0000387142 · I *, even more preferably above
41.583 - 63229.0 / I * + 0.0000426993 · I *
where I * is the normalized ionic strength of the electrolyte.

Die Zahlen, die sich aus dem vorangegangenen Schritt für jedes Kation ergeben („... der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen, für jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, mit dessen Oxidationszahl multipliziert ...”), entsprechen der mittleren Zahl der Sauerstoffbrücken, die das jeweilige Kation B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi mit einem anderen Kation B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi verbinden.The numbers resulting from the previous step for each cation ("... the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb , Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi and the sum of all cation oxidation numbers, for each of the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi multiplied by its oxidation number ... "), correspond to the average number of oxygen bridges that each cation B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al , Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi with another cation B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi.

Diese mittleren Zahlen der Sauerstoffbrücken, die von einem netzwerkbildenden Kation B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, zu anderen netzwerkbildenden Kationen ausgehen, soll, wenn mehrere Sorten netzwerkbildender Kationen im Spiel sind, im mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichteten Mittel mindestens „1”, bevozugt mindestens „2” betragen. These mean oxygen bridge numbers derived from a network-forming cation B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr , Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, emanate to other network-forming cations, if more than one type of network-forming cations is involved, at least "1" weighted at the relative frequency of the respective cation, preferably at least "1". 2 "amount.

Nachfolgend wird der Fall, daß nur eine Sorte netzwerkbildender Kationen im Spiel ist, betrachtet. In diesem Fall gibt es nur eine Sorte netzwerkbildendes Kation, bspw. Zirkonium, so daß die mittlere Zahl der von einem Zirkoniumatom zu einem anderen Zirkoniumatom führenden Sauerstoffbrücken, identisch ist zum mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichteten Mittel und daß „deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” ist.”In the following, the case where only one kind of network-forming cation is involved will be considered. In this case, there is only one kind of network-forming cation, for example zirconium, so that the average number of oxygen bridges leading from one zirconium atom to another zirconium atom is identical to the mean weighted by the relative abundance of the particular cation and that of the relative Frequency of the respective cation weighted average greater than "one", preferably greater than "two" is. "

Sind mehrere netzwerkbildende Kationensorten beteiligt, so ist über diese zu mitteln, wobei die jeweilige Zahl der Sauerstoffbrücken zu anderen netzwerkbildenden Kationen mit der relativen Häufigkeit der jeweiligen netzwerkbildenden Kationensorte innerhalb der Gesamtmenge der netzwerkbildenden Kationensorte zu wichten ist.If more than one network-forming cation species are involved, it should be averaged over them, with the respective number of oxygen bridges to other network-forming cations to be weighted with the relative abundance of the particular network-forming cation species within the total of the network-forming cation species.

Die „relative Häufigkeit” bezieht sich auf die jeweils zuvor genannte Gesamtheit der netzwerkbildenden Kationen. Im Mittel beschreibt somit eine Mittelung über die Kationen vom Typ „network former”, „imperfect network former”, „structurally activ elements”, oder „conditional glassformer”.The "relative abundance" refers to each of the aforementioned total of network-forming cations. On average, an averaging thus describes the cations of the type "network former", "imperfect network former", "structurally active elements", or "conditional glassformer".

Der allgemeine Grund für letzteres wird unten beschrieben.The general reason for the latter is described below.

Mit der relativen Permittivität ε ist zunächst der am Material gemessene Wert gemeint. Bezüglich der Meßmethodik siehe z. B. Agilent, ”Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials” – Application Note, 26. Juni 2006 .The relative permittivity ε is initially intended to mean the value measured on the material. Regarding the measuring method see z. B. Agilent, "Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials" - Application Note, June 26, 2006 ,

Das Vorgehen beim Design eines solches Materials ist wie folgt. Man wählt zunächst, wie unten angegeben wird, eine zur Glasbildung geeignete Kombination von Elementen und einen entsprechenden Zusammensetzungsbereich aus. Die Einstellung der Ionenstärke erfolgt über die Stöchiometrie, die Einstellung der relativen Permittivität über die Abschätzung von R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 . Die für letztere notwendige Angabe des Molekülvolumens bzw. der Dichte, um daraus das Molekülvolumen zu berechnen, kann für Gläser mit Hilfe einschlägiger nichtlinearer Fits geschehen. Solche sind, incl. der entsprechenden Fitparameter, als fertige Softwarepakete unter den Handelsnamen INTERGLAD (NEW GLASS FORUM, Japan Glass-Industry Center, 3-21-16, Hyakunin-cho, Shinjyuku-ku, Tokyo 169-0073 JAPAN) oder SCIGLASS (ITC, Inc., 22 Considine Rd., Newton, Ma 20459, USA) erhältlich. Für Kristalle bzw. die Kristallite in polykristallinen Materialien lässt sich die Dichte z. B. mit Hilfe von Dichtefunktionalrechnungen bestimmen. Diesbezüglich wird auf die Codes und Tutorials des CPMD Consortiums verwiesen, siehe http://cpmd.org/ , erreichbar über Max-Planck-Institut für Festkörperforschung Stuttgart, Heisenbergstraße 1, 70569 Stuttgart, Deutschland. Vergleiche auch R. Jalem, M. Nakayama, T. Kasuga, K. Kanamura, Abstract #577, 224th ECS Meeting, 2013 .The procedure for the design of such a material is as follows. Initially, as indicated below, a combination of elements suitable for glass formation and a corresponding compositional range are selected. The adjustment of the ionic strength is carried out via the stoichiometry, the adjustment of the relative permittivity via the estimation of RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 , The information required for the latter of the molecule volume or the density in order to calculate the molecular volume can be done for glasses with the aid of relevant nonlinear fits. Such are, including the appropriate fit parameters, as finished software packages under the trade names INTERGLAD (NEW GLASS FORUM, Japan Glass Industry Center, 3-21-16, Hyakunin-cho, Shinjyuku-ku, Tokyo 169-0073 JAPAN) or SCIGLASS ( ITC, Inc., 22 Considine Rd., Newton, Ma. 20459, USA). For crystals or the crystallites in polycrystalline materials, the density z. B. determine by means of density functional calculations. In this regard, reference is made to the codes and tutorials of the CPMD Consortium, see http://cpmd.org/ , reachable via Max Planck Institute for Solid State Research Stuttgart, Heisenbergstraße 1, 70569 Stuttgart, Germany. Compare too R. Jalem, M. Nakayama, T. Kasuga, K. Kanamura, Abstract # 577, 224th ECS Meeting, 2013 ,

Welche Komponenten als Glasbildner geeignet sind, lässt sich den strukturellen Glasbildungstheorien entnehmen. Glasbildende Systeme sind alle diejenigen Systeme, die lockere Netzwerke bilden, siehe W. H. Zachariasen, The Atomic Arrangement in Glass, J. Chem. Soc. 54, Nr. 10 (1932), S. 3841–3851 . Dafür ist das Auftreten spezieller Kationen erforderlich, die man als Netzwerkbildner bezeichnet. Eine verbreitete Klassifikation von Kationen als Netzwerkbildner oder Netzwerkwandler bzw. Zwischenoxide folgt der Feldstärke der Kationen, siehe A. Dietzel, ”Die Kationenfeldstärken und ihre Beziehungen zu Entglasungsvorgängen, zur Verbindungsbildung und zu den Schmelzpunkten von Silicaten”, Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie 48 (1942), S. 9–23 . Netzwerkbildner gehen eher kovalente, Netzwerkwandler eher ionische Sauerstoffbindungen ein, siehe T. S. Izumatani, Optical Glass, AIP Trans. Series, New York (1986) .Which components are suitable as glass formers can be found in the structural glass formation theories. Glass forming systems are all those systems that form loose networks, see WH Zachariasen, The Atomic Arrangement in Glass, J. Chem. Soc. 54, No. 10 (1932), pp. 3841-3851 , This requires the occurrence of special cations known as network builders. A common classification of cations as network formers or network transducers or intermediate oxides follows the field strength of the cations, see A. Dietzel, "The Cation Field Strengths and Their Relationships with Devitrification, the Bonding, and the Melting Points of Silicates," Zeitschrift fur Elektrochemie und angewandte Physikische Chemie 48 (1942), pp. 9-23 , Networkers are more covalent, network converters more ionic oxygen bonds, see TS Izumatani, Optical Glass, AIP Trans. Series, New York (1986) ,

Hier sieht man übrigens einen Zusammenhang zwischen der Frage der Glasbildung und der Ionenleitfähigkeit; dies ist der o. a. allgemeine Grund dafür, dass die Ionenleiter vorzugsweise mindestens teilweise aus Glasbildnern bestehen sollen. Das Aufspannen weitmaschiger Netzwerke, in denen sich Lithiumionen gut bewegen können, erfordert die Anwesenheit von Netzwerkbildnern, siehe R. D. Shannon, T. Berzins: Ion conductivity in low carnegieite compositions based on NaAlSiO4. Mat. Res. Bull. 14 (1979), S. 361–367 , wo speziell davon die Rede ist, dass Netzwerkstrukturen, die die Tetraeder (BO4)5–, (PO4)3– oder (SiO4)4– enthalten, eine hohe Ionenbeweglichkeit aufweisen.Incidentally, here one sees a connection between the question of glass formation and ionic conductivity; This is the above general reason why the ion conductors should preferably at least partially consist of glass formers. Stretching wide-meshed networks in which lithium ions can move well requires the presence of network-forming agents, see RD Shannon, T. Berzins: Ion conductivity in low carnegieite compositions based on NaAlSiO4. Mat. Res. Bull. 14 (1979), pp. 361-367 where it is specifically mentioned that network structures containing the tetrahedron (BO 4 ) 5- , (PO 4 ) 3- or (SiO 4 ) 4- , have a high ion mobility.

Dazu passt, dass Netzwerkbildner die Packungsdichte in Glas senken und umgekehrt, siehe T. Rouxel, Elastic Properties and Short-to Medium-Range Order in Glasses, J. Am. Ceram. Soc., 90 Nr. 10 (2007), S. 3019–3039 . This fits in with the fact that network designers reduce the packing density in glass and vice versa, see T. Rouxel, Elastic Properties and Short-to Medium-Range Order in Glasses, J. Am. Ceram. Soc., 90, No. 10 (2007), pp. 3019-3039 ,

Die Empfehlung eines hohen Anteiles von Netzwerkbildnern durch R. D. Shannon, T. Berzins: Ion conductivity in low carnegieite compositions based on NaAlSiO4. Mat. Res. Bull. 14 (1979), S. 361–367 , beschränkt sich aber nicht auf glasartige Ionenleiter, da die Tendenz der Netzwerkbildner, kovalent gebundene, weitmaschige und gut zur Ionenleitfähigkeit geeignete Netzwerke aufzuspannen, nicht ausschließlich an den Glaszustand gekoppelt wird.The recommendation of a high proportion of network educators RD Shannon, T. Berzins: Ion conductivity in low carnegieite compositions based on NaAlSiO4. Mat. Res. Bull. 14 (1979), pp. 361-367 , but is not limited to glassy ionic conductors, since the tendency of the network formers to open covalently bound, wide-meshed networks that are well suited to ionic conductivity is not exclusively coupled to the glassy state.

In einer Erweiterung der Dietzelschen Feldstärketheorie teilt Conradt, siehe R. Conradt: Vorlesung Werkstoffkunde Glas, Kapitel 2: Glaschemie. Lehrstuhl für Glas und keramische Verbundwerkstoffe, Institut für Gesteinshüttenkunde, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Stand Oktober 2010, die Kationen in ”network formers” (B, Si, Ge, P), ”imperfect network formers” (Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W), ”structurally active elements” (Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe als Grenzfall), ”conditional glassformers” (Tl, Pb, Bi), ”network modifiers 2” (Mg, Zn, Cd, Sc, Y, La und die Lanthanoide, Co, Ni) und ”network modifiers 1” (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba) ein, wobei der kovalente Bindungscharakter in einer Bindung mit Sauerstoff von den ”network formers” zu den ”network modifiers 1” hin ab- und der ionische Charakter entsprechend zunimmt. Periodensystem: Elemente (Ionen)/links oben Valenz/rechts oben Koordination/unten Dietzelsche Feldstärke/nach Conradt

Figure DE102015005836A1_0011
Tabelle 4: Dietzelsche Feldstärken nach R. Conradt: Vorlesung Werkstoffkunde Glas, Kapitel 2: Glaschemie. Lehrstuhl für Glas und keramische Verbundwerkstoffe, Institut für Gesteinshüttenkunde, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Stand Oktober 2010 Conradt shares in an extension of Dietzel's field strength theory, see R. Conradt: Lecture Material Science Glass, Chapter 2: Glass Chemistry. Chair of Glass and Ceramic Composites, Institute of Mineralogy, RWTH Aachen University, October 2010, cations in "network formers" (B, Si, Ge, P), "imperfect network formers" (Sn, As, Sb , Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W), structurally active elements (Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe as a limiting case), conditional glassformers ( Tl, Pb, Bi), "network modifiers 2" (Mg, Zn, Cd, Sc, Y, La and the lanthanides, Co, Ni) and "network modifiers 1" (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca , Sr, Ba), wherein the covalent bond character in a bond with oxygen decreases from the "network formers" to the "network modifiers 1" and the ionic character correspondingly increases. Periodic table: elements (ions) / top left valence / top right coordination / bottom Dietzel field strength / after Conradt
Figure DE102015005836A1_0011
Table 4: Dietzel field strengths according to R. Conradt: Lecture Material Science Glass, Chapter 2: Glass Chemistry. Chair of Glass and Ceramic Composites, Institute of Mineral Engineering, RWTH Aachen University, October 2010

Um das Ziel eines weitmaschigen Netzwerkes zu erreichen, ist, wie gesagt, ein hoher Anteil von Netzwerkbildnern empfehlenswert. Jedoch ist bekannt, dass auch Systeme mit einem Netzwerkbildneranteil von unter 50 Mol% zur Glasbildung fähig sind, siehe H. J. L. Trapp, J. M. Stevels, ”Physical properties of invert glasses”, Glastechn. Ber. 32 (1959), S. 32–52 , und damit allgemein zum Aufspannen von Netzwerkstrukturen (auch z. B. in teil- oder polykristallinen Materialien).In order to reach the goal of a wide-meshed network, a high percentage of network creators is recommended. However, it is known that systems with a network-forming component of less than 50 mol% are capable of glass formation, see HJL Trapp, JM Stevels, "Physical properties of inverted glasses", Glastechn. Ber. 32 (1959), p. 32-52 , and thus generally for the construction of network structures (also, for example, in partially or polycrystalline materials).

Erfindungsgemäß wird die Grenze zwischen einem (glasigen oder nicht-glasigen) netzwerkbildenden und einem nicht netzwerkbildenden System so gezogen, dass wenigstens so viele Kationen vom Typ ”network former”, ”imperfect network former”, ”structurally active elements”, oder (im Sinne eines nicht ausschließenden ”oder”) ”conditional glassformer” sind, dass bei einer oxidischen Ausführung der Erfindung und zufälligen Anordnung der Atome im Mittel wenigstens eine der von diesen Kationen ausgehenden Sauerstoffbrücken zu einem weiteren dieser Kationen führt. Dies entspricht der Mindestbedingung, die man bei einem Invertglas stellen muss, damit überhaupt noch ein Rest an Netzwerk vorhanden ist. Die Kühlung solcher Systeme ist heikel, aber machbar, siehe S. Misture, Viscous Glass Sealants for SOFC Applications, DOE Award Number: DE-NT0005177, Alfred University, 2012 .According to the invention, the boundary between a (glassy or non-glassy) network-forming and a non-network-forming system is drawn so that at least as many cations of the type "network former", "imperfect network former", "structurally active elements", or (in the sense a "non-exclusive" or "conditional glassformer" is that in an oxide embodiment of the invention and random arrangement of atoms on the average, at least one of the oxygen bridges emanating from these cations leads to another of these cations. This corresponds to the minimum condition that must be set for an inverted glass so that there is even a remnant of network at all. The cooling of such systems is tricky, but feasible, see S. Misture, Viscous Glass Sealants for SOFC Applications, DOE Award Number: DE-NT0005177, Alfred University, 2012 ,

Nach der Forderung nach hoher relativer Permeabilität ist dies eine weitere Forderung gemäß der Erfindung. After the requirement for high relative permeability, this is another requirement according to the invention.

Ein leicht nachrechenbares, ungefähres Maß hierfür ergibt sich, wenn man zunächst für die gegebene Stöchiometrie sowohl die Summe der Oxidationszahlen aller Kationen vom Typ ”network former”, ”imperfect network former”, ”structurally active elements”, oder ”conditional glassformer” als auch die Summe aller Kationen-Oxidationszahlen überhaupt berechnet, den Quotienten bildet und dann für jedes Kation vom Typ ”network former”, ”imperfect network former”, ”structurally active elements”, oder ”conditional glassformer” mit dessen Oxidationszahl multipliziert. Diese Produkte sollen dann im mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichteten Mittel größer als „Eins” sein.An approximate, approximate measure of this is obtained by first considering the sum of the oxidation numbers of all cations of the type "network former", "imperfect network former", "structurally active elements", or "conditional glassformer" as well as for the given stoichiometry the sum of all cation oxidation numbers is calculated, forms the quotient and then multiplied by its oxidation number for each type of network former, imperfect network former, structurally active elements, or conditional glassformer. These products should then be greater than "one" in the average weighted average relative to the particular cation.

Wie oben gesagt, haben Netzwerkbildner die Tendenz zu eher kovalenten Sauerstoffbindungen, siehe T. S. Izumatani, Optical Glass, AIP Trans. Series, New York (1986) . Man kann das Netzwerk aus Netzwerkbildnern und verbindenden Sauerstoffatomen daher näherungsweise als kovalentes Netzwerk auffassen, in dem für jedes Atom die Koordinationszahl von der Bindigkeit diktiert wird, siehe Tarsilla Gerthsen, Chemie für den Maschinenbau: Anorganische Chemie für Werkstoffe und Verfahren, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2006, S. 217 , und damit im Falle von Einfachbindungen gleich der Oxidationszahl ist. Dementsprechend ist dann jedes netzwerkbildende Kation von so vielen Sauerstoffatomen umgeben, wie seiner Oxidationszahl entspricht. Dieses netzwerkbildende Kation wird mit Knb,i bezeichnet. Alle diese Sauerstoffatome sind entsprechend ihrer Oxidationszahl „2” dann noch mit weiteren Kationen koordiniert, entweder durch (a) kovalente Bindungen mit je einem weiteren netzwerkbildenden Kation oder (b) ionisch mit netzwerkwandelnden Kationen. Die relative Häufigkeit, mit der Fall (a) auftritt, ist unter Berücksichtigung der Elektroneutralität des Gesamtsystems gleich dem Anteil, den die aufsummierten Oxidationszahlen aller netzwerkbildenden Kationen an den aufsummierten Oxidationszahlen aller Kationen haben. Diese relative Häufigkeit ist gleich dem oben angegebenen Quotienten aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen vom Typ ”network former”, ”imperfect network former”, ”structurally active elements”, oder ”conditional glassformer” und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen. Wird diese relative Häufigkeit mit der Oxidationszahl von Knb,i multipliziert, erhält man die mittlere Zahl der weiteren netzwerkbildenden Kationen, mit denen Knb,i verbunden ist.As noted above, network builders tend to be more covalent oxygen bonds, see TS Izumatani, Optical Glass, AIP Trans. Series, New York (1986) , Therefore, the network of network-forming and connecting oxygen atoms can be considered as a covalent network, in which the coordination number of each atom is dictated by the bond, see Tarsilla Gerthsen, Chemistry for Mechanical Engineering: Inorganic Chemistry for Materials and Processes, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2006, p. 217 , and thus in the case of single bonds is equal to the oxidation number. Accordingly, each network-forming cation is then surrounded by as many oxygen atoms as corresponds to its oxidation number. This network-forming cation is called Knb, i. All of these oxygen atoms are then coordinated with other cations according to their oxidation number "2", either by (a) covalent bonds with one additional network-forming cation or (b) ionically with network-converting cations. Taking into account the electroneutrality of the overall system, the relative frequency with which case (a) occurs is equal to the proportion of the cumulative oxidation numbers of all network-forming cations to the accumulated oxidation numbers of all cations. This relative abundance is equal to the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations of the type "network former", "imperfect network former", "structurally active elements", or "conditional glassformer" and the sum of all cation oxidation numbers. If this relative frequency is multiplied by the oxidation number of K nb, i , one obtains the average number of further network-forming cations to which K nb, i is connected.

Im Allgemeinen ist die oben gemachte Annahme rein kovalenter Bindungen nicht erfüllt, und es handelt sich bei den Bindungen der netzwerkbildenden Kationen zu den umgebenden Sauerstoffatomen um teilionische Bindungen. Wie groß der ionische Anteil der jeweiligen Bindung ist, ist Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, New York, 1960 , zu entnehmen.In general, the above assumption of purely covalent bonds is not met, and the bonds of the network-forming cations to the surrounding oxygen atoms are partition bonds. How large is the ionic portion of each bond is Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, New York, 1960 , refer to.

Die Zahl der ein netzwerkbildendes Kation umgebenden Sauerstoffatome, also die Koordinationszahl dieses Kations, folgt dann den Packungsregeln von Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, New York, 1960 . Diese Koordinationszahl des Kations ist im allgemeinen größer als dessen Oxidationszahl, vergleiche Shannon „Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta cryst., page 751–767, 1976 . Sie, also die Koordinationszahl des Kations, ist speziell dann immer größer oder gleich dessen Oxidationszahl, wenn die mittlere Koordinationszahl der umgebenden Sauerstoffatome größer oder gleich „2”, d. h. dem Betrag der Oxidationszahl des Sauerstoffs, ist, also wenn der Sauerstoff nur Einfachbindungen zu seinen Nachbarn eingeht. Das folgt unmittelbar aus den Packungsregeln von Linus Pauling, „The Nature of the Chemical Bond”, Cornell University Press, New York, 1960.The number of oxygen atoms surrounding a network-forming cation, ie the coordination number of this cation, then follows the packing rules of Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, New York, 1960 , This coordination number of the cation is generally greater than its oxidation number, cf. Shannon "Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta cryst., Pp. 751-767, 1976 , It, that is, the coordination number of the cation, is then always greater than or equal to its oxidation number, if the average coordination number of the surrounding oxygen atoms is greater than or equal to "2", ie the amount of the oxidation number of the oxygen, so if the oxygen only single bonds to his Neighbors arrive. This follows directly from the packing rules of Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, New York, 1960.

Man könnte jetzt die oben gemachte Berechnung ändern und z. B. bei der Multiplikation der relativen Häufigkeit mit der Oxidationszahl des Kations Knb,i diese Oxidationszahl durch die (größere) Koordinationszahl ersetzen, um so der stärkeren Vernetzung des Kations Knb,i mit seinen Nachbarn Rechnung zu tragen. Das würde aber dem Ziel zuwider laufen, eine Bedingung festzulegen, ab der man von einem kovalent aufgespannten Netzwerk sprechen kann. Wenn der ionische Charakter der Bindung des Kations Knb,i mit seinen Nachbarn zunimmt, weil ein anderes Element mit einem größeren Unterschied der Elektronegativität zu Sauerstoff eingesetzt wird, sollte die oben formulierte Bedingung nicht abgeschwächt werden.You could now change the calculation above and z. B. in the multiplication of the relative abundance with the oxidation number of the cation K nb, i replace this oxidation number by the (larger) coordination number, so as to take into account the stronger networking of the cation K nb, i with its neighbors. But that would run counter to the goal of establishing a condition from which one can speak of a covalently spanned network. If the ionic nature of the cation K nb, i binding increases with its neighbors because another element with a greater difference in electronegativity to oxygen is used, the above-formulated condition should not be mitigated.

Im Gegenteil wird der Tatsache, dass der ionische Charakter der Bindung zu Sauerstoff von den ”network formers” über die ”imperfect network formers” und die ”structurally active elements” zu den ”conditional glassformers” hin tendenziell steigt, dadurch Rechnung getragen, dass gegenüber der oben formulierten Bedingung der folgende Fall bevorzugt wird. Es wird der Quotient der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen vom Typ ”network former”, ”imperfect network former” oder ”structurally active elements” und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen überhaupt gebildet. Für jedes Kation vom Typ ”network former”, ”imperfect network former”, ”structurally active elements” wird mit dessen Oxidationszahl multipliziert. Diese Produkte sollen dann im mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichteten Mittel größer als „Eins” sein.On the contrary, the fact that the ionic nature of the bond to oxygen tends to increase from the "network formers" through the "imperfect network formers" and the "structurally active elements" to the "conditional glassformers" is accommodated by the opposite the condition formulated above, the following case is preferred. The quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations of the type "network former", "imperfect network former" or "structurally active elements" and the sum of all cation oxidation numbers is formed at all. For each type of cation "network former", "imperfect network former "," structurally active elements "is multiplied by its oxidation number. These products should then be greater than "one" in the average weighted average relative to the particular cation.

Weiter bevorzugt wird der folgende Fall. Es wird der Quotient der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen vom Typ ”network former” oder ”imperfect network former” und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen überhaupt gebildet. Für jedes Kation vom Typ ”network former” oder ”imperfect network former” wird mit dessen Oxidationszahl multipliziert. Diese Produkte sollen dann im mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichteten Mittel größer als „Eins” sein.More preferable is the following case. The quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations of the type "network former" or "imperfect network former" and the sum of all cation oxidation numbers is formed at all. For each cation of the type "network former" or "imperfect network former" is multiplied by its oxidation number. These products should then be greater than "one" in the average weighted average relative to the particular cation.

Noch weiter bevorzugt wird, dass es sich im vorangegangenen Abschnitt um zwei anstelle um eine Sauerstoffbrücke handelt, die genannten Produkte also alle größer als „Zwei” sind.Even more preferred is that in the previous section is two instead of an oxygen bridge, the said products are therefore all greater than "two".

Die vorstehende Darstellung bezieht sich auf oxidische Systeme. Die teilweise oder vollständige Substitution des Sauerstoffs als Anion durch Schwefel und/oder Stickstoff wird aber in die Offenbarung einbezogen.The above illustration refers to oxide systems. The partial or complete substitution of the oxygen as an anion by sulfur and / or nitrogen is included in the disclosure.

Das wie oben beschrieben netzwerkbildende System enthält einen Anteil leitender Ionen, vorzugsweise Lithium, das formal als Komponente eines in der Zusammensetzung enthaltenden Leitoxids bzw. Leitsulfids bzw. Leitnitrids oder einer Mischform angesehen wird. Dieses Leitoxid bzw. Leitsulfid bzw. Leitnitrid ist bevorzugt in einer Ionenstärke von mindestens 1000 mol/m3 vorhanden.The network forming system as described above contains a portion of conductive ions, preferably lithium, which is formally considered to be a component of a conductive oxide or conductive nitride or mixture form contained in the composition. This conductive oxide or conductive sulfide or conductive nitride is preferably present in an ionic strength of at least 1000 mol / m 3 .

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben ohne Beschränkung hierauf werden.The invention will be described below based on embodiments without limitation.

Zunächst wird zu Vergleichszwecken ein Material als Vergleichsbeispiel betrachtet, das sehr weit von einem erfindungsgemäßen ionenleitfähigen Material mit geringer Aktivierungsenthalpie bei Raumtemperatur entfernt ist, nämlich Lithium-Aluminium-Silicat (LAS) als Vergleichsbeispiel 1.First, for comparison, a material as a comparative example, which is very far removed from an ion-conductive material of the present invention having a low activation enthalpy at room temperature, namely lithium aluminum silicate (LAS) as Comparative Example 1, is considered.

LAS existiert in einer Kristallstruktur (β-Eukryptit), in der eine Ionenbewegung durch Platzwechsel des Lithium von einem Aluminium-nahen zu einem Silizium-nahen Platz möglich ist. Diesbezüglich wird auf A. Lichtenstein, R. Jones, S. Gironcoli, S. Baroni, „Anisotropic thermal expansion in silicates: A density functional study of β-eucryptite”. Physical Review B 62 No 17, 2000, S. 11487–11493 verwiesen. LAS ist bei 600°C in der zu dieser Temperatur gehörenden Modifikation H. Guth, „Strukturuntersuchungen an dem eindimensionalen Li-Ionenleiter β-Eukryptit (LiAlSiO4) mit Hilfe von Neutronenbeugung”, Dissertation, Kernforschungszentrum Karlsruhe, September 1979 , als guter Ionenleiter bekannt, nicht aber bei Raumtemperatur.LAS exists in a crystal structure (β-eucryptite), in which an ion movement by exchange of lithium from an aluminum-near to a silicon-near place is possible. This will be on A. Lichtenstein, R. Jones, S. Gironcoli, S. Baroni, "Anisotropic thermal expansion in silicates: A density functional study of β-eucryptites". Physical Review B 62 No 17, 2000, pp. 11487-11493 directed. LAS is at 600 ° C in the modification belonging to this temperature H. Guth, "Structure Investigations on the One-Dimensional Li-Ion Guide β-Eucryptite (LiAlSiO4) Using Neutron Diffraction", Dissertation, Nuclear Research Center Karlsruhe, September 1979 , known as a good ionic conductor, but not at room temperature.

Für die relative Permittivität wird das Meßergebnis 5,5 für eine β-Eukryptit-Keramik von T. Ogiwara, Y. Noda, K. Shoji, O. Kimura, „Low-Temperature Sintering of High-Strength β-Eucryptite Ceramics with Low Thermal Expansion Using Li2O-GeO2 as a Sintering Additive”. J. Am. Ceram. Soc., 94, 2011, S. 1427–1433 benutzt. Wird des Weiteren zugrundegelegt, dass die Ionenstärke von LAS wegen der Stöchiometrie und der Dichte 31804 mol/m3 beträgt, kann man so die Aktivierungsenthalpie berechnen. Die Dichte entnimmt man D. Barthelmy, Website http://www.webmineral.com/data/Eucryptite.shtml , abgerufen am 27. Oktober 2013, zu 2,67 g/cm3. Für die Berechnung der Ionenstärke nimmt man an, dass ein Mol LiAlSiO4 ein halbes Mol des Leitoxids Li2O enthält; analog geht man auch bei allen anderen Beispielen vor. Man vergleicht das berechnete Ergebnis mit dem Meßergebnis aus der Untersuchung von N. Dietrich, Herstellung und Charakterisierung von β-Eukryptit und modifizierten Eukryptit-Keramiken LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) für die Verwendung als Hochleistungswerkstoffe, Dissertation, Universität Saarbrücken, Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie, 2007, speziell mit der Aktivierungsenthalpie der Kornleitfähigkeit von polykristallinem β-Eukryptit, das aus einer Festkörperreaktion gewonnen worden war. Methode bzw. Literaturstelle hi LAS Formel (4); ε = 5,8 (Ogiwara, Noda, Shoji, & Kimura) 1,16 eV Experiment/LAS aus Festkörperreaktion (Dietrich) 1,10–1,22 eV, Mittelwert 1,17 eV Tabelle 5: Aktivierungsenthalpie der Lithium-Ionenleitfähigkeit in LAS theoretisch gemäß Formel (4) und experimentell For the relative permittivity, the measurement result becomes 5.5 for a β-eukryptite ceramic of T. Ogiwara, Y. Noda, K. Shoji, O. Kimura, "Low-Temperature Sintering of High-Strength β-Eucryptite Ceramics with Low Thermal Expansion Using Li 2 O-GeO 2 as a Sintering Additive". J. Am. Ceram. Soc., 94, 2011, pp. 1427-1433 used. If it is further assumed that the ionic strength of LAS is 31804 mol / m 3 because of the stoichiometry and the density, then one can calculate the activation enthalpy. The density is taken from D. Barthelmy, website http://www.webmineral.com/data/Eucryptite.shtml , Accessed October 27, 2013, to 2.67 g / cm 3. For the calculation of the ionic strength it is assumed that one mole of LiAlSiO 4 contains half a mole of the lead oxide Li 2 O; analogously, one also proceeds in all other examples. The calculated result is compared with the measurement result from the study of N. Dietrich, production and characterization of β-eukryptite and modified eukryptite ceramics LiAl 1-y M y SiO 4 (M = Cr, Mn, Fe) for use as high-performance materials , Dissertation, Saarbrücken University, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry and Radiochemistry, 2007, specifically with the activation enthalpy of the grain conductivity of polycrystalline β-eukryptite, which was obtained from a solid-state reaction. Method or reference h i READ Formula (4); ε = 5.8 (Ogiwara, Noda, Shoji, & Kimura) 1.16 eV Experiment / LAS from solid-state reaction (Dietrich) 1.10-1.22 eV, mean 1.17 eV Table 5: Activation enthalpy of lithium ion conductivity in LAS theoretically according to formula (4) and experimentally

Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, liegt der experimentell ermittelte Wert in derselben Größenordnung wie der mit der Formel (4) ermittelte theoretische Wert. Wegen des großen Wertes der Aktivierungsenthalpie erfüllt dieses Material allerdings die Forderung nach einem flachen Verlauf der Leitfähigkeits-Temperatur-Kurve im Bereich –50°C bis +80°C nicht. Um die Aktivierungsenthalpie abzusenken, müsste man das Material im Sinne der Erfindung chemisch so verändern, dass die relative Permittivität stark steigt. Wegen der großen Diskrepanz zwischen der gegebenen und einer erfindungsgemäßen relativen Permittivität ist dies allerdings nicht möglich. Daher ist dieses Material als Ausgangspunkt für eine Ausführung der Erfindung ungeeignet.As shown in Table 5, the experimentally determined value is of the same order of magnitude as the theoretical value obtained by the formula (4). Because of the large value of the activation enthalpy fulfilled This material, however, the requirement for a flat course of the conductivity-temperature curve in the range -50 ° C to + 80 ° C not. In order to lower the activation enthalpy, it would be necessary to chemically change the material in the sense of the invention in such a way that the relative permittivity increases greatly. However, because of the large discrepancy between the given and a relative permittivity according to the invention, this is not possible. Therefore, this material is unsuitable as a starting point for an embodiment of the invention.

Ein typischer Wert für die Leitfähigkeit ist 10–5 S/cm bei 350°C, siehe N. Dietrich, Herstellung und Charakterisierung von β-Eukryptit und modifizierten Eukryptit-Keramiken LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) für die Verwendung als Hochleistungswerkstoffe, Dissertation, Universität Saarbrücken, Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie, 2007 . Mit der Aktivierungsenthalpie 1,17 eV extrapoliert man diesen Wert auf ca. 5·10–16/(Ω·cm) bei 25°C.A typical conductivity value is 10 -5 S / cm at 350 ° C, see N. Dietrich, Production and Characterization of β-Eucryptite and Modified Eucryptite Ceramics LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) for High Performance Materials, Dissertation, Saarbrücken University, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry and Radiochemistry, 2007 , With the activation enthalpy of 1.17 eV, this value is extrapolated to about 5 × 10 -16 / (Ω · cm) at 25 ° C.

Als nächstes Vergleichsbeispiel wird ein Material mit einer etwas höheren Leitfähigkeit und geringeren Aktivierungsenthalpie bei Raumtemperatur betrachtet, nämlich ein Lithium-Phosphat-Glas (LiPO3). Für die relative Permittivität verwenden wir das Meßergebnis 8,74 von M. Watanabe, T. Yamamoto, and T. Yamada, ”The Chemical Structure and Electric Property of Lithium Phosphate Glass”, Memoirs of College of. Engineering, Chubu University S. 71 (1984) . Wir benutzen noch, dass die Ionenstärke von LiPO3 wegen der Stöchiometrie und der Dichte 46781 mol/m3 beträgt, und berechnen so die Aktivierungsenthalpie. Die Dichte entnehmen wir zusammen mit der experimentell bestimmten Aktivierungsenthalpie und der Leitfähigkeit F. Muñoz, A. Durán, L. Pascual, L. Montagne, B. Revel, A. Rodrigues, Increased electrical conductivity of LiPON glasses produced by ammonolysis, Solid State Ionics 179, 574–579 (2008) . Da die experimentell zu 0,76 eV bestimmte Aktivierungsenthalpie EA * entspricht, korrigieren wir für den Vergleich noch um kT, wobei wir für T Raumtemperatur einsetzen. Methode bzw. Literaturstelle hi LiPO3 Formel (4); ε = 8,74 (Watanabe, Yamamoto, & Yamada) 0,77 eV Experiment/LiPO3-Glas (Muñoz, Durán, Pascual, Montagne, Revel, Rodrigues) 0,78 eV Tabelle 6: Aktivierungsenthalpie der Lithium-Ionenleitfähigkeit in LiPO3 theoretisch gemäß Formel (4) und experimentell As a next comparative example, consider a material with a slightly higher conductivity and lower activation enthalpy at room temperature, namely a lithium phosphate glass (LiPO 3 ). For the relative permittivity, we use the measurement result 8.74 of Watanabe, T. Yamamoto, and T. Yamada, "The Chemical Structure and Electric Property of Lithium Phosphate Glass," Memoirs of College of. Engineering, Chubu University p. 71 (1984) , We still use that the ionic strength of LiPO 3 is 46781 mol / m 3 due to its stoichiometry and density, thus calculating the activation enthalpy. The density is taken together with the experimentally determined activation enthalpy and the conductivity F. Muñoz, A. Durán, L. Pascual, L. Montagne, B. Revel, A. Rodrigues, Increased electrical conductivity of LiPON glasses produced by ammonolysis, Solid State Ionics 179, 574-579 (2008) , Since the experimental enthalpy determined experimentally at 0.76 eV corresponds to E A * , we correct for the comparison by kT, where we use for T room temperature. Method or reference h i LiPO 3 Formula (4); ε = 8.74 (Watanabe, Yamamoto, & Yamada) 0.77 eV Experiment / LiPO3 glass (Muñoz, Durán, Pascual, Montagne, Revel, Rodrigues) 0.78 eV Table 6: enthalpy of activation of the lithium ion conductivity in LiPO 3 theoretically according to formula (4) and experimentally

Offensichtlich stimmen hier wieder experimentell und theoretische Werte überein. Ein typischer Wert für die Leitfähigkeit ist 1,2·10–9/(Ω·cm) bei 25°C, siehe F. Muñoz, A. Durán, L. Pascual, L. Montagne, B. Revel, A. Rodrigues, Increased electrical conductivity of LiPON glasses produced by ammonolysis, Solid State Ionics 179, 574–579 (2008) .Obviously, experimental and theoretical values are again in agreement here. A typical value for the conductivity is 1.2 × 10 -9 / (Ω · cm) at 25 ° C, see F. Muñoz, A. Durán, L. Pascual, L. Montagne, B. Revel, A. Rodrigues, Increased electrical conductivity of LiPON glasses produced by ammonolysis, Solid State Ionics 179, 574-579 (2008) ,

Als Vergleichsbeispiel 3 wird Lithium-Lanthan-Zirkonat (Li7La3Zr2O12, LLZO) betrachtet, das als Ionenleiter für Raumtemperatur geeignet ist. LLZO gehört zu den Granaten. Es existiert als Kristall in zwei Strukturen, einer tetragonalen, ohne Dotierung bei Raumtemperatur stabilen sowie einer kubischen, bei höheren Temperaturen stabilen, die aber z. B. durch Aluminiumoxiddotierung raumtemperaturstabil gemacht werden kann. Letztere ist im Hinblick auf ihre besonders hohe Ionenleitfähigkeit besonders interessant.As Comparative Example 3 lithium lanthanum zirconate (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , LLZO) is considered, which is suitable as an ion conductor for room temperature. LLZO belongs to the grenades. It exists as a crystal in two structures, a tetragonal, stable without doping at room temperature and a cubic, stable at higher temperatures, but z. B. can be made room temperature stable by alumina doping. The latter is particularly interesting in view of their particularly high ionic conductivity.

Eine Stabilisierung der kubischen Phase bei Raumtemperatur ist z. B. mit 1,5 Gewichtsprozenten Al2O3 möglich, siehe z. B. Y. Zhang, F. Chen, R. Tu, Q. Shen, L. Zhang, „Field Assisted Sintering of Dense Al-Substituted Cubic Phase Li7La3Zr2O12 Solid Electrolytes”, Journal of Power Sources (2014) , im Druck. Die Leitfähigkeit erreicht dann 5.7·10–4/(Ω·cm); die zugehörige Dichte beträgt 5,09 g/cm3 und die zugehörige Aktivierungsenthalpie 0,3 eV.A stabilization of the cubic phase at room temperature is z. B. with 1.5 weight percent Al 2 O 3 possible, see, for. B. Y. Zhang, F. Chen, R. Tu, Q. Shen, L. Zhang, "Field Assisted Sintering of Dense Al-Substituted Cubic Phase Li7La3 Zr2O12 Solid Electrolytes", Journal of Power Sources (2014) , in print. The conductivity then reaches 5.7 · 10 -4 / (Ω · cm); the associated density is 5.09 g / cm 3 and the associated enthalpy of activation 0.3 eV.

Wir analysieren LLZO wie oben LAS, wobei wir die 1,5 Gewichtsprozent Al2O3 vernachlässigen. Mit der Methode von R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 , bestimmen wir die relative Permittivität zu 22,3655. Dabei benötigen wir noch die Dichte, die wir Zhang, F. Chen, R. Tu, Q. Shen, L. Zhang, „Field Assisted Sintering of Dense Al-Substituted Cubic Phase Li7La3Zr2O12 Solid Electrolytes”, Journal of Power Sources (2014) , im Druck, zu ca. 5,1 g/cm3 entnehmen, und die Atommassen, die wir M. Winter, Website „Webelements”, abgerufen am 24. 10 2013 von http://www.webelements.com/ , entnehmen. Aus der Stöchiometrie und der Dichte folgt die Ionenstärke zu 63768 mol/m3. Wir erhalten damit nach Formel (4) eine Raumtemperatur-Aktivierungsenthalpie von 0,29 eV. Methode bzw. Literaturstelle hi LLZO Formel (4); ε = 22,3655 (nach Shannon) 0,29 eV Experiment/polykristallines LLZO (Zhang, Chen, Tu, Shen, Zhang) 0,3 eV Tabelle 7: Aktivierungsenthalpie der Lithium-Ionenleitfähigkeit in LLZO gemäß Formel (4) und experimentell bestimmter Wert. We analyze LLZO as above LAS, neglecting the 1.5 weight percent Al 2 O 3 . With the method of RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 , we determine the relative permittivity to 22,3655. We still need the density that we have Zhang, F. Chen, R. Tu, Q. Shen, L. Zhang, "Field Assisted Sintering of Dense Al-Substituted Cubic Phase Li7La3 Zr2O12 Solid Electrolytes", Journal of Power Sources (2014) , in print, to take about 5.1 g / cm 3 , and the atomic masses we M. Winter, web site "Webelements", retrieved on 24. 10 2013 from http://www.webelements.com/ , remove. From the stoichiometry and the density, the ionic strength follows to 63768 mol / m 3 . Thus, according to formula (4), we obtain a room-temperature activation enthalpy of 0.29 eV. Method or reference h i LLZO Formula (4); ε = 22,3655 (after Shannon) 0.29 eV Experiment / Polycrystalline LLZO (Zhang, Chen, Tu, Shen, Zhang) 0.3 eV Table 7: Activation enthalpy of the lithium ion conductivity in LLZO according to formula (4) and experimentally determined value.

Bei LLZO handelt es sich um ein glasbildendes System. Zirkon ist ein strukturell aktives Element. In einem Glasverbund hergestellt, würde Zirkon entsprechend seiner Valenz über vier Sauerstoffbrücken vernetzt, an deren Ende eine der acht Valenzen der zwei Zirkonatome pro molekularer Baueinheit sitzen könnte oder eines von sieben, den Lithiumionen zuzuordnenden nichtbrückenbildenden Sauerstoffatomen oder eines von neun, den insgesamt neun Valenzen der drei Lanthanatome zuzuordnenden Sauerstoffatome. (Die Zahl der Valenzen ist gleich der Oxidationszahl.) Vgl. Radovan Karell, Jozef Kraxner, Maria Chromeikova, Properties of selected zirconia containing silicate glasses, Ceramics-Silikáty 50 (2) 78–82 (2006) . Lithium ist ein Netzwerkwandler der ersten, und Lanthan ist ein Netzwerkwandler der zweiten Art. Im Mittel wird jede der vier Valenzen eines Zirkonatoms zu 8/(8 + 7 + 9) weiteren Zirkonatomen führen; Multiplikation mit 4 führt darauf, dass jedes Zirkonatom im Mittel mit 32/24 weiteren Zirkonatomen vernetzt ist.LLZO is a glass-forming system. Zircon is a structurally active element. Produced in a glass composite, zirconium would crosslink according to its valence via four oxygen bridges, at the end of which could be one of the eight valences of the two zirconium atoms per molecular assembly, or one of seven non-bridging oxygen atoms attributable to lithium ions or one of nine, the total of nine valencies three Lanthanatome attributable oxygen atoms. (The number of valencies is equal to the oxidation number.) Cf. Radovan Karell, Jozef Kraxner, Maria Chromeikova, Properties of selected zirconia containing silicate glasses, Ceramics-Silikáty 50 (2) 78-82 (2006) , Lithium is a network transducer of the first, and lanthanum is a second type of network transducer. On average, each of the four valences of a zirconium atom will result in 8 / (8 + 7 + 9) other zirconium atoms; Multiplication by 4 indicates that each zirconium atom is cross-linked on average with 32/24 additional zirconium atoms.

Diese Betrachtung entspricht der o. a. Bedingung, daß der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi (hier „8” wegen 2 Zirkonatomen pro molekularer Baueinheit und der Oxidationszahl +4 des Zirkons) und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen (hier „24”), multipliziert mit der Oxidationszahl jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi (hier nur 1 solches Kation, nämlich Zirkon, mit der Oxidatzionszahl +4) Zahlen ergibt (hier 32/24), deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel (wieder 32/24, da nur eine solche Kationensorte) größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” ist, Es gibt LLZO-Varianten, in denen Zirkon durch Tantal substituiert wird, z. B. Li5La3Ta2O12 (LLTa). Mit der Methode von R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 , bestimmen wir die relative Permittivität eines 100% dichten Materials zu 24,0086. Dabei benötigen wir noch die theoretische Dichte, die wir Masashi, Kotobukin, Kiyoshi Kanamurau, Fabrication of all-solid-state battery using Li5La3Ta2O12 ceramic electrolyte, Ceramics International 39 (2013) 6481–6487 , zu 6,1 g/cm3 entnehmen, und die Atommassen, die wir M. Winter, Website „Webelements”, abgerufen am 24. 10 2013 von http://www.webelements.com/ , entnehmen. Aus der Stöchiometrie und der Dichte folgt die Ionenstärke zu 45507 mol/m3.This consideration corresponds to the above condition that the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al , Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi (here "8" for 2 zirconia atoms per molecular unit and the oxidation number +4 of the zirconium) and the sum of all cation oxidation numbers (here "24 Multiplied by the oxidation number of each of the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi (here only 1 such cation, namely zirconium, with the Oxidatzionszahl +4) numbers (here 32/24), their weighted with the relative abundance of each cation weighted average (again 32/24, since only one such type of cation) is greater than "one", preferably greater than "two". There are LLZO variants in which zirconium is substituted by tantalum, e.g. Li 5 La 3 Ta 2 O 12 (LLTa). With the method of RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 , we determine the relative permittivity of a 100% dense material to 24,0086. We still need the theoretical density that we have Masashi, Kotobukin, Kiyoshi Kanamurau, Fabrication of all-solid-state battery using Li5La3Ta2O12 ceramic electrolyte, Ceramics International 39 (2013) 6481-6487 , to take 6.1 g / cm 3 , and the atomic masses, which we M. Winter, web site "Webelements", retrieved on 24. 10 2013 from http://www.webelements.com/ , remove. From the stoichiometry and the density, the ionic strength follows to 45507 mol / m 3 .

Wir erhalten damit nach Formel (4) eine Raumtemperatur-Aktivierungsenthalpie von 0,27 eV. Wir vergleichen mit einer Dichtefunktionalrechnung, die für den Selbstdiffusionskoeffizienten eine Aktivierungsenthalpie 0,26 eV ergibt, siehe R. Jalem, M. Nakayama, T. Kasuga, K. Kanamura, Abstract #577, 224th ECS Meeting, 2013 . Diese entspricht nach der Nernst-Einstein-Beziehung dem o. a. EA, siehe z. B. N. Dietrich, Herstellung und Charakterisierung von β-Eukryptit und modifizierten Eukryptit-Keramiken LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) für die Verwendung als Hochleistungswerkstoffe, Dissertation, Universität Saarbrücken, Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie, 2007 , so dass wir unmittelbar mit dem Ergebnis von Formel (4) vergleichen können: Methode bzw. Literaturstelle hi LLTa Formel (4); ε = 24,0086 (nach Shannon) 0,27 eV Computerexperiment/simuliertes LLTa (Jalem, Nakayama, Kasuga, Kanamura) 0,26 eV Tabelle 8: Aktivierungsenthalpie der Lithium-Ionenleitfähigkeit in LLTa gemäß Formel (4) und experimentell bestimmter Wert. Thus, according to formula (4), we obtain a room-temperature activation enthalpy of 0.27 eV. We compare with a density functional calculation which gives an activation enthalpy of 0.26 eV for the self-diffusion coefficient, see R. Jalem, M. Nakayama, T. Kasuga, K. Kanamura, Abstract # 577, 224th ECS Meeting, 2013 , This corresponds according to the Nernst-Einstein relation the above E A , see z. B. N. Dietrich, Production and Characterization of β-Eucryptite and Modified Eucryptite Ceramics LiAl1-yMySiO4 (M = Cr, Mn, Fe) for High Performance Materials, Dissertation, Saarbrücken University, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry and Radiochemistry, 2007 so that we can compare directly with the result of formula (4): Method or reference h i LLTa Formula (4); ε = 24,0086 (after Shannon) 0.27 eV Computer experiment / simulated LLTa (Jalem, Nakayama, Kasuga, Kanamura) 0.26 eV Table 8: Activation enthalpy of the lithium ion conductivity in LLTa according to formula (4) and experimentally determined value.

In dem Vergleichsbeispiel 3 ist die Bedingung an ein glasbildendes System und zwar sogar in einer der bevorzugten Formen erfüllt, nicht jedoch die erfindungsgemäße Bedingung für ε in Abhängigkeit von der Ionenstärke I. Tantal ist ein „imperfect glass former”. In einem Glasverbund hergestellt, würde Tantal entsprechend seiner Valenz über fünf Sauerstoffbrücken vernetzt, an deren Ende eine der zehn Valenzen der zwei Tantalatome pro molekularer Baueinheit sitzen könnte oder eines von fünf, den Lithiumionen zuzuordnenden nichtbrückenbildenden Sauerstoffatomen oder eines von neun, den insgesamt neun Valenzen der drei Lanthanatome zuzuordnenden Sauerstoffatome. Im Mittel wird jede der fünf Valenzen eines Tantalatoms zu 10/(10 + 5 + 9) weiteren Zirkonatomen führen; Multiplikation mit 5 führt darauf, dass jedes Tantalatom im Mittel mit 50/24 weiteren Tantalatomen vernetzt ist.In Comparative Example 3, the condition of a glass-forming system, and even in one of the preferred forms, is satisfied, but not the condition of the invention for ε as a function of ionic strength I. Tantalum is an imperfect glass former. Produced in a glass composite, tantalum would be crosslinked according to its valence via five oxygen bridges, at the end of which could sit one of the ten valences of the two tantalum atoms per molecular unit, or one of five non-bridging oxygen atoms attributable to lithium ions or one of nine, the total of nine valencies three Lanthan atoms to be assigned oxygen atoms. On average, each of the five valences of a tantalum atom will result in 10 / (10 + 5 + 9) other zirconia atoms; Multiplication by 5 indicates that each tantalum atom is cross-linked on average with 50/24 other tantalum atoms.

Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele bei denen die Bedingung für ε in Abhängigkeit von der Ionenstärke I erfüllt sind, gehen auf Wismutboratsysteme zurück. Bor ist hierbei ein „glass former”, und Wismut ist zumindest ein „conditional glass former”. Wismutboratgläser lassen sich bis zu sehr hohen Wismutgehalten 86 Kationen-% als Gläser mit meßbarer Glasübergangstemperatur herstellen, siehe George, Vira, Stehle, Meyer, Evers, Hogan, et al., „A structural analysis of the physical properties of bismuth and lead based glasses”, Physics and Chemistry of Glasses – European Journal of Glass Science and Technology Part B, Volume 40, Number 6, 1999, S. 326–332 , auch in gleicher Stöchiometrie wie kristalline Phasen, wobei diese Phasen eine sehr hohe Dichte haben können wie z. B. das kubische Bi24B2O39, siehe I.-I. Oprea, „Optical Properties of Borate Glass-Ceramics”, Dissertation, Universität Osnabrück, 2005 . Wismutborate lassen sich gut keramisieren, wie in I.-I. Oprea, „Optical Properties of Borate Glass-Ceramics”, Dissertation, Universität Osnabrück, 2005 beschrieben.Inventive embodiments in which the condition for ε depending on the ionic strength I are satisfied, go back to bismuth borate systems. Boron is a glass former, and bismuth is at least a conditional glass former. Bismuth borate glasses can be prepared to very high bismuth levels 86 cation% as glasses with measurable glass transition temperature, see George, Vira, Stehle, Meyer, Evers, Hogan, et al., "Physical Analysis of the Physical Properties of Bismuth and Lead Based Glasses," Physics and Chemistry of Glasses, Part B, Volume 40 of the European Journal of Glass Science and Technology , Number 6, 1999, pp. 326-332 , even in the same stoichiometry as crystalline phases, these phases may have a very high density such. For example, the cubic Bi24B2O39, see I.-I. Oprea, "Optical Properties of Borate Glass-Ceramics", Dissertation, University of Osnabrück, 2005 , Bismuth borates are readily ceramized as described in I.-I. Oprea, "Optical Properties of Borate Glass-Ceramics", Dissertation, University of Osnabrück, 2005.

Ein erstes Ausführungsbeispiel ergibt sich aus dem genannten System Bi24B2O39 durch-Ersetzen eines Wismutiones ladungsneutral durch ein Kalziumion und ein Lithiumion. Hierbei wird angenommen, dass das Kalzium, welches (für alle Koordinationen) einen ungefähr genauso großen Ionenradius wie das Wismut hat, einen Wismutplatz besetzt, und sich das Lithium unabhängig im Netzwerk bewegt. Des Weiteren wird angenommen, dass das Molekülvolumen für das substituierte kristalline System dasselbe ist wie für das ursprüngliche, nämlich 1.02288·10–28 m3, was man aus der Dichte 9,189 g/cm3, siehe I.-I. Oprea, „Optical Properties of Borate Glass-Ceramics”, Dissertation, Universität Osnabrück, 2005 , und der Molmasse 5661,142 g berechnet hat.A first embodiment results from said system Bi 24 B 2 O 39 by replacing a bismuth charge-neutral by a calcium ion and a lithium ion. Here it is assumed that the calcium, which has (for all coordinations) about the same ion radius as the bismuth, occupies a bismuth site, and the lithium moves independently in the network. Furthermore, it is assumed that the molecular volume for the substituted crystalline system is the same as for the original one, namely 1.02288 × 10 -28 m 3 , which can be seen from the density of 9.189 g / cm 3 , see I.-I. Oprea, "Optical Properties of Borate Glass-Ceramics", Dissertation, University of Osnabrück, 2005 , and the molecular weight calculated 5661.142 g.

Wenn man weiter zugrunde legt, dass die Keramisierung fast vollständig verläuft und dass nach der Keramisierung das Molekülvolumen des kristallinen Systems vorliegt, kann man nach R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 die relative Permittivität εe zu 36,9 berechnen. Die Ionenstärke I beträgt 2434,76/(mol/m3). Wegen der geringen Ionenstärke I ergibt sich für ε: ε > 41,583 – 63229,0/2434,76 + 0,0000426993·2434,76 = 15,7. Das ist die schärfste der Bedingungen in Tabelle 3.Further, assuming that ceramization is almost complete, and that after ceramization, the molecular volume of the crystalline system is present, RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 calculate the relative permittivity εe to 36.9. The ionic strength I is 2434.76 / (mol / m 3 ). Because of the low ionic strength I, for ε: ε> 41.583 - 63229.0 / 2434.76 + 0.0000426993 · 2434.76 = 15.7 is obtained. This is the harshest of conditions in Table 3.

Das zweite Ausführungsbeispiel geht aus von Bi10B2O18, das sich als Glas mit der Dichte 8,92 g/cm3 und dem Molekülvolumen 4.466·10 – 28m3 herstellen läßt, siehe George, Vira, Stehle, Meyer, Evers, Hogan, et al., „A structural analysis of the physical properties of bismuth and lead based glasses”, Physics and Chemistry of Glasses – European Journal of Glass Science and Technology Part B, Volume 40, Number 6, 1999, S. 326–332 . Dieses System hat nach R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 , zunächst (unsubstituiert) eine relative Permittivität von 32,99.The second embodiment is based on Bi 10 B 2 O 18 , which can be prepared as a glass with a density of 8.92 g / cm 3 and the molecular volume of 4,466 · 10 - 28m 3 , see George, Vira, Stehle, Meyer, Evers, Hogan, et al., "Physical Analysis of the Physical Properties of Bismuth and Lead Based Glasses," Physics and Chemistry of Glasses, Part B, Volume 40 of the European Journal of Glass Science and Technology , Number 6, 1999, pp. 326-332 , This system has after RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 , initially (unsubstituted) a relative permittivity of 32.99.

Substituiert man wie zuvor beschrieben ein Wismution gegen ein Kalzium- und ein Lithiumion und nimmt man an, dass Lithiumion nichts am Molekülvolumen ändert, so folgt nach R. D. Shannon, „Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides”, J. Appl. Phys., 1993, S. 348–366 , eine untere Abschätzung der relativen Permittivität von 27,3. Die Ionenstärke beträgt 5576,35/(mol/m3). Damit wird auch für ein solches System ε > 36,2286 – 52953,6/5576,35 + 0,0000353135·5576,35 = 26,9. erreicht. Das System entspricht so der drittschärfsten Bedingung aus Tabelle 3 und damit der Erfindung.Substituting as previously described a bismuth against a calcium and a lithium ion and assuming that lithium ion does not change the molecular volume, it follows RD Shannon, "Dielectric polarizabilities of ions in oxides and fluorides", J. Appl. Phys., 1993, pp. 348-366 , a lower estimate of the relative permittivity of 27.3. The ionic strength is 5576.35 / (mol / m 3 ). Thus, even for such a system ε> 36.2286 - 52953.6 / 5576.35 + 0.0000353135 · 5576.35 = 26.9. reached. The system thus corresponds to the third sharpest condition from Table 3 and thus to the invention.

Auch ein System Bi24B2O39 kann nach der Substitution eines Wismutatoms durch ein Kalzium- und ein Lithiumatom noch als netzwerkbildend angesehen werden. Dies ergibt sich aus dem offensichtlichen Übergewichts von Bor als „network former” und Wismut als „conditional network former” gegenüber den anderen Kationen. Analysiert man die Grundeinheit LiCaBi23B2O39, so ergibt sich der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen zu (23·3 + 2·3)/(23·3 + 2·3 + 1 + 2) = 75/78. Multipliziert mit der sowohl für Wismut als auch für Bor „3” betragenden Oxidationszahl ergibt sich sowohl für Wismut als auch für Bor der Zahlenwert 225/78 als mittlere Zahl von Sauerstoffbrücken zu anderen netzwerkbildenden Ionen. Die Mittelung über die beiden Kationensorten Wismut und Bor ist damit trivial. Die relative Häufigkeit von Wismut unter den netzwerkbildenden Kationen beträgt 23/25, die relative Häufigkeit von Bor unter den netzwerkbildenden Kationen beträgt 2/25; das gewichtete Mittel beträgt 225/78·23/25 + 225/78·2/25 = 225/78 und ist damit wie erwartet größer als „1”, sogar größer als „2”. Mit der Erfindung wird erstmals ein Elektrolyt, insbesondere ein Lithium ionenleitendes Material angegeben, das eine weitgehende Konstanz der Ionenleitfähigkeit über einen vorgegebenen Temperaturbereich besitzt, der bevorzugt von –50°C bis +80°C reicht.A system Bi 24 B 2 O 39 can also be considered as network-forming after the substitution of a bismuth atom by a calcium and a lithium atom. This is due to the apparent predominance of boron as a "network former" and bismuth as a "conditional network former" over the other cations. Analyzing the basic unit LiCaBi 23 B 2 O 39 , the quotient results from the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo , W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi and the sum of all cation oxidation numbers to (23 x 3 + 2 x 3) / (23 x 3 + 2) · 3 + 1 + 2) = 75/78. Multiplied by the oxidation number for both bismuth and boron "3", both bismuth and boron have the numerical value 225/78 as the mean number of oxygen bridges to other network-forming ions. The averaging over the two cation types bismuth and boron is therefore trivial. The relative abundance of bismuth among the network-forming cations is 23/25, the relative abundance of boron among the network-forming cations is 2/25; the weighted average is 225/78 * 23/25 + 225/78 * 2/25 = 225/78, and as expected is greater than "1", even greater than "2". With the invention, an electrolyte, in particular a lithium ion-conducting material is specified for the first time, which has a substantial constancy of ionic conductivity over a predetermined temperature range, which preferably ranges from -50 ° C to + 80 ° C.

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Claims (5)

Elektrolyt, insbesondere Feststoffelektrolyt, bevorzugt lithiumionenleitendes Material, wobei der Feststoffelektrolyt, insbesondere das lithiumionenleitende Material ein vernetztes System ist, in dem für eine gegebene Stöchiometrie der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen, für jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, mit dessen Oxidationszahl multipliziert, Zahlen ergibt deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” sind, dadurch gekennzeichnet, dass dass die relative Permittivität ε des Elektrolyten, insbesondere Feststoffelektrolyten, bevorzugt des lithiumionenleitenden Materiales oberhalb des Wertes 23,9817 – 31241,5/I* + 0,0000194269·I*, bevorzugt oberhalb 25,0319 – 33014,0/I* + 0,0000207389·I*, weiter bevorzugt oberhalb 26,1809 – 34971,4/I* + 0,0000221847·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 27,4431 – 37144,2/I* + 0,0000237855·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 28,8365 – 39570,2/I* + 0,0000255681·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 30,3821 – 42296,2/I* + 0,000027565·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 32,1061 – 45381/I* + 0,0000298173·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 34,0414 – 48900,8/I* + 0,0000323777·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 36,2286 – 52953,6/I* + 0,0000353135·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 38,7201 – 57670,8/I* + 0,0000387142·I*, noch weiter bevorzugt oberhalb 41,583 – 63229,0/I* + 0,0000426993·I* liegt, wobei I* die normierte Ionenstärke des Elektrolyten ist.Electrolyte, in particular solid electrolyte, preferably lithium ion-conducting material, wherein the solid electrolyte, in particular the lithium ion-conducting material is a crosslinked system, in which for a given stoichiometry of the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb , Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi and the sum of all cation oxidation numbers, for each the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Tl, Pb, Bi, multiplied by its oxidation number, gives numbers whose mean weighted by the relative abundance of the respective cation greater than "one", preferably greater than "two", characterized in that that the relative permittivity ε of the electrolyte, in particular Solid electrolyte, preferably of the lithium ion-conducting material, above the value 23.9817-31424 , 5 / I * + 0.0000194269 I *, preferably above 25.0319 - 33014.0 / I * + 0.0000207389 * I *, more preferably above 26.1809 - 34971.4 / I * + 0.0000221847 * I * , even more preferably above 27, 4431 - 37144.2 / I * + 0.0000237855 * I *, even more preferably above 28.8365 - 39570.2 / I * + 0.0000255681 * I *, even more preferably above 30.3821 - 42296.2 / I * + 0.000027565 * I *, even more preferably above 32.1061 - 45381 / I * + 0.0000298173 * I *, even more preferably above 34.0414 - 48900.8 / I * + 0.0000323777 * I *, even more preferably above 36.2286 - 52953.6 / I * + 0.0000353135 * I *, even more preferably above 38.7201 - 57670.8 / I * + 0.0000387142 * I *, even more preferably above 41.583 - 63229.0 / I * + 0.0000426993 · I *, where I * is the normalized ionic strength of the electrolyte. Elektrolyt, insbesondere lithiumionenleitendes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gegebene Stöchiometrie der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen, multipliziert mit der Oxidationszahl jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe Zahlen ergibt, deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” ist,Electrolyte, in particular lithium ion-conducting material according to claim 1, characterized in that for a given stoichiometry the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe and the sum of all cation oxidation numbers multiplied by the oxidation number of each of the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, Be, Al, Ga, In, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe give numbers whose average weighted by the relative abundance of each cation is greater than "One", preferably greater than "two", Elektrolyt, insbesondere lithiumionenleitendes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gegebene Stöchiometrie der Quotient aus der Summe der Oxidationszahlen aller Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W und der Summe aller Kationen-Oxidationszahlen, multipliziert mit der Oxidationszahl jedes der Kationen B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W Zahlen ergibt, deren mit der relativen Häufigkeit des jeweiligen Kations gewichtetes Mittel größer als „Eins”, bevorzugt größer als „Zwei” ist,Electrolyte, in particular lithium ion-conducting material according to claim 1, characterized in that for a given stoichiometry the quotient of the sum of the oxidation numbers of all cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W and the sum of all cation oxidation numbers multiplied by the oxidation number of each of the cations B, Si, Ge, P, Sn, As, Sb, Se, Te, Ti, V, Nb, Ta, Mo, W numbers whose average weighted by the relative abundance of the respective cation is greater than "one", preferably greater than "two", Elektrolyt, insbesondere lithiumionenleitendes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lithiumionenleitende Material ein Bismutboratsystem ist, bei dem ein oder mehrere Bismutatome ladungsneutral durch je ein Kalziumion und je ein Lithiumion ersetzt ist/sind.Electrolyte, in particular lithium ion-conducting material according to claim 1, characterized in that the lithium ion-conducting material is a bismuth borate system, in which one or more bismuth atoms is replaced charge neutral by a respective calcium ion and one lithium ion. Elektrolyt, insbesondere lithiumionenleitendes Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bismutboratsystem vor Substitution Bi24B2O39 oder Bi10B2O18 ist.Electrolyte, in particular lithium ion-conducting material according to Claim 4, characterized in that the bismuth borate system before substitution is Bi 24 B 2 O 39 or Bi 10 B 2 O 18 .
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