Abstract in German:

Elektrolyte mit hoher ionischer Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen sind die Voraussetzung für den Erfolg von Feststoffelektrolytbrennstoffzellen (SOFC). Ein Kandidat fu ̈r solch ein Material ist dotiertes Zirkonoxid. In der Vergangenheit wurde der elektrische Widerstand der Elektrolyten hauptsächlich durch Verringerung der Schichtdicken verbessert. Allerdings können diese nicht beliebig dünn werden und man kann sagen, dass die üblichen Methoden die Leitfähigkeit gut bekannter Elektrolyte weiter zu verbessern praktisch ausgeschöpft sind. Daher müssen neue Fenster verbesserter Leitfähigkeit gefunden werden. Dies kann durch das Verstehen des quantenmechanischen Sauerstofftransports in unkonventionellen Zirkonoxidkonfigurationen erreicht werden. Somit ist ein solches Verständnis von essenzieller Bedeutung. In dieser Thesis werden zwei Ansätze verfolgt, die Untersuchung der dehnungsabhängige Migrationsbarriere und die Konstruieren eines Elektrolytmaterials mit verbesserter und stark anisotroper ionischer Leitfähigkeit. Der erste Ansatz erweitert das elementare Verständnis des Sauerstofftransports in Oxidgittern. Die Migrationsbarrieren des Sauerstofftransports in Zirkonoxid wird durch Anwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Verbindung mit der “Nudged Elastic Band” (NEB) Methode bestimmen. Diese Rechnungen zeigen ein unerwartetes Abnehmen der Barriere unter starker Kompression. Ähnlich zu anderen Veröffentlichungen wurde ein Abfall der Barriere bei Expansion des Gitters beobachtet. Zusätzlich wurde ein erneuter Abfall der Barriere bei starken Kompressionen jenseits eines Barrierenmaximums gefunden. Ein einfaches analytisches Modell zeigt hierfür eine Erklärung auf: Eine Anhebung der Grundzustandsenergien bei hohen Drücken führt zu dem erneuten Abfall der Barriere. Hieraus folgt: Eine Erhöhung der Grundzustandsenergie kann ein interessanter alternativer Ansatz zur Verbesserung ionischer Leitfähigkeit sein. Der zweite Ansatz folgt der Idee, dass ionische Leitfähigkeit in SOFC Elektrolyten prinzipiell nur in der Richtung des Ionenflusses hoch sein muss. Wird eine Schichtung von Zirkonium und Yttrium im Fluoritgitter verwendet, so erreicht man eine hohe Leerstellenkonzentration und beobachtet eine sehr niedrige Barriere in zwei Dimensionen, während in der dritten Richtung die Mobilität der Ionen geopfert wurde. Die ionische Leitfähigkeit dieser neuen Struktur übertrifft sogar schon bei 500◦C die von Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) bei 800◦C. In der Suche nach verbesserter Leitfähigkeit, wurde vor allem die NEB Methode ausgiebig verwendet. Um ein besseres Verständnis dieser Methode zu erlangen wurde diese auf viele sehr verschiedene Systeme angewendet. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine bestimmte neue Modifikation von NEB, die “Minimum search Nudged Elastic Band” (MsNEB) Methode, in der Lage ist globale Minima in komplexen Phasenräumen zu finden. Weiterhin stellt sich heraus, dass MsNEB komplementär zu “Simulated Annealing” und dem “Genetischen Algorithmus” ist. Diese neue Methode wurde zwar noch nicht auf Elektrolyte angewendet, hat aber ihr Potential bereits dadurch demonstriert, dass sie die stabilsten Konfigurationen von Phosphor P4, P8 Molekülen sowie von entsprechenden As_n, Sb_n, Bi_n, (n = 4,8) Molekülen gefunden hat. Im Fall von P8 hat MsNEB zu einer bisher unbekannten Konfiguration geführt, die stabiler als der bisher angenommene Grundzustand ist.