Anwendung von Titannitridchlorid als Kathode in einer Lithium-Metall-Batterie und Synthese neuer TiCl4-Additionsverbindungen

Abstract

In einem ersten Teil dieser Arbeit wurden die Reaktionen der Lewis-Säure Titantetrachlorid mit den stickstoff- beziehungsweise phosphorhaltigen Donorliganden Acetonitril, Triphenylphosphan, 1,2-Bis-(diphenylphosphino)-ethan und 2,2'-Bipyridyl untersucht und eine Charakterisierung und Kristallstrukturermittlung der jeweils entstehenden Addukt-Komplexe vorgestellt, die als Ausgangssubstanz für Komplexe mit Nitridobrücken am Titanatom dienen sollten. Die Bildung von Komplexen mit Nitridobrücken zwischen Titanatomen konnte durch Reaktion des reinen Metallhalogenids TiCl4 mit N(SiMe3)3 oder unter Verwendung der oben genannten Adduktkomplexe an TiCl4 jedoch nicht beobachtet werden. Ein zweiter Teil dieser Arbeit behandelt die Synthese von Titannitridchlorid und dessen Verwendung als Kathode in einer sekundären Lithium-Metall-Batterie. Titannitridchlorid konnte sowohl durch Ammonolyse von Titantetrachlorid, als auch durch die Umsetzung von TiCl4 mit dem tertiären Amin N(SiMe3)3 dargestellt und charakterisiert werden. Titannitridchlorid wurde als Kathode in einem galvanischen Element Li//LiPF6//TiNCl eingesetzt und deren Eignung zur reversiblen Lithium-Interkalation zu LixTiNCl elektrochemisch untersucht. Die ausgezeichnete Reversibilität der Li+-Einlagerung in TiNCl konnte über 12 vollständige Entlade-Ladezyklen im Spannungsbereich 3.0 V > U > 1.2 V bestätigt werden. Supraleitende Eigenschaften konnten für Li0.19TiNCl nicht festgestellt werden; beobachtet wurde paramagnetisches Verhalten. Die reversible spezifische Kapazität der elektrochemischen Zelle Li//LiPF6//TiNCl beträgt ca. 147 Ah·kg-1 während 12 vollständiger Entlade-Ladezyklen.

In a first part of this work the reactions of titaniumtetrachloride with the nitrogen- or phosphorous-containing ligands acetonitrile, triphenylphosphine, 1,2-Bis-(diphenylphosphino)-ethane and 2,2'-Bipyridyl were carried out. The products were characterized and their crystal structure was obtained. These adduct complexes were used in order to achieve metal complexes with nitrido bridges between metal atoms. Their synthesis was not successful neither with the synthesized TiCl4-charge-transfer complexes and N(SiMe)3 nor with the metal halogenide TiCl4 itself and nitrogen containing ligands. A second part of this work deals with the synthesis of titanium nitride chloride and its use as a cathode in a secondary lithium metal battery. TiNCl was obtained by ammonolysis of TiCl4 and by the reaction of TiCl4 with the tertiary amine N(SiMe)3. A galvanic cell Li//LiPF6//TiNCl was built and their electrochemical reactions were studied in respect to a reversible lithium intercalation to give LixTiNCl. The reversibility of the intercalation reaction was observed within a potential range of 3.0 V > U > 1.2 V. Superconductive properties were not found for synthesized Li0.19TiNCl; instead paramagnetic behaviour was observed. The reversible specific capacity of the electrochemical cell Li//LiPF6//TiNCl was found out to be approximately 147 Ah·kg-1 after 12 complete discharge-charge-cycles.