Defect chemistry and ion transport in perovskite oxides probed by atomistic simulations

Bonkowski, Alexander; De Souza, Roger Armand; Lüchow, Arne

doi:HT031399886

Defect chemistry and ion transport in perovskite oxides probed by atomistic simulations

Bonkowski, Alexander^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Bonkowski, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
De Souza, Roger Armand (Thesis advisor)^RWTH* ; Lüchow, Arne (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01215
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1027102/files/1027102.pdf

Einrichtungen

Projekte

EPISTORE - Thin Film Reversible Solid Oxide Cells for Ultracompact Electrical Energy Storage (101017709) (101017709)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Energiespeicher und -umwandlungsvorrichtungen sind für die moderne Gesellschaft unverzichtbar geworden und spielen eine entscheidende Rolle beim Übergang zu einer nachhaltigeren Energieversorgung. Festkörper-Ionenleiter, wie Perowskit-Oxide, sind wichtige Materialien in diesen Geräten. Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahrzehnten bleiben viele grundlegende Fragen zum Ionen-Transport in Festkörpern unbeantwortet. Insbesondere das Zusammenspiel von chemischer Zusammensetzung, Defektchemie, Gitter-Symmetrie und äußeren Bedingungen (z.B. Temperatur, Sauerstoff-Partialdruck), und wie diese Faktoren die Ionen-Diffusion beeinflussen, ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Diese Dissertation befasst sich mit einigen dieser offenen Fragen unter Verwendung atomistischer Simulationen zur Untersuchung des Ionen-Transports in Perowskit-Oxiden, mit einem Schwerpunkt auf praktischen Implikationen für Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung. Ein kompakter Leitfaden für die Durchführung von Molekulardynamik-Simulationen des Ionen-Transports in Festkörpern wird vorgestellt, einschließlich praktischer Ratschläge zur Simulationseinrichtung und -analyse sowie einer Diskussion häufiger Fallstricke und wie diese vermieden werden können. Die schlechte Stabilität des herausragenden Oxid-Ionenleiters Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O2.5 (BSCF) schränkt seine Anwendbarkeit erheblich ein. Eine alternative Zusammensetzung, bei der Ba durch Ca ersetzt wird, wurde hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften und der Diffusion von Sauerstoff-Leerstellen mittels Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Das resultierende Material, Ca0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O2.5 (CSCF), weist eine verbesserte Stabilität auf und behält gleichzeitig eine ähnliche Sauerstoff-Leerstellen-Diffusivität bei, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für experimentelle Validierung macht. Exsolution ist eine Strategie zur Erzeugung katalytisch aktiver Nanopartikel auf den Oberflächen von Oxid-Wirtsmaterialien, doch die Mechanismen, die diesem Prozess zugrunde liegen, sind nicht vollständig aufgeklärt. Ein neues Modell für die Thermodynamik und Kinetik der Metall-Exsolution aus Perowskit-Oxiden wird vorgeschlagen, das auf der Reduktion des Übergangsmetall-Ions innerhalb des Wirtsgitters und nicht an der Oberfläche basiert. Dieses Modell berücksichtigt ein breiteres Spektrum experimenteller Beobachtungen als frühere Ansätze. Die Diffusion von Sauerstoff in polykristallinem (La,Sr)FeO3−δ (LSF) wurde mittels Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei niedrigeren Temperaturen eine schnellere Korngrenz-Diffusion von Oxid-Ionen aufgrund der nahezu vollständigen Entleerung von Sauerstoff-Leerstellen in den Korninnenbereichen auftritt.

Energy storage and conversion devices have become essential to modern society and play a crucial role in the transition toward a more sustainable energy supply. Solid-state ionic conductors, such as perovskite oxides, are key materials in these devices. Despite significant progress in recent decades, many fundamental questions about ion transport in solids remain unanswered. In particular, the interplay between chemical composition, defect chemistry, lattice symmetry, and external conditions (e.g., temperature, oxygen partial pressure), and how these factors influence ion diffusion, is still not fully understood. This thesis addresses some of these open questions using atomistic simulations to study ion diffusion in perovskite oxides, with an emphasis on practical implications for energy storage and conversion applications. A compact guide for performing molecular dynamics simulations of ion transport in solids is presented, including practical advice on simulation setup and analysis, as well as a discussion of common pitfalls and how to avoid them. The poor stability of the superlative oxide-ion conductor Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O2.5 (BSCF) severely limits its applicability. An alternative composition, in which Ba is replaced by Ca, was investigated with respect to structural properties and oxygen-vacancy diffusion using molecular dynamics simulations. The resulting material, Ca0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O2.5 (CSCF), is predicted to exhibit improved stability while maintaining similar oxygen-vacancy diffusivity, making it a promising candidate for experimental validation. Exsolution is a strategy for generating catalytically active nanoparticles on the surfaces of oxide host materials, yet the mechanisms underlying this process are not fully understood. A new model for the thermodynamics and kinetics of metal exsolution from perovskite oxides is proposed, based on the reduction of the transition-metal ion within the host lattice rather than at the surface. This model accounts for a wider range of experimental observations than previous approaches. The diffusion of oxygen in polycrystalline (La,Sr)FeO3−δ (LSF) was investigated using molecular dynamics simulations. The results show that at lower temperatures, faster grain-boundary diffusion of oxide ions occurs due to the near-complete depletion of oxygen vacancies in the bulk regions.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)