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Projektübersicht

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Foto: GMK – Medien. Marken. Kommunikation, www.gmk.de
Redox-aktive kovalente organische Gerüstverbindungen für die Einlagerung mehrwertiger Metallionen (RACOF-MMIS) Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Eike Brunner
Technische Universität Dresden
Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie
Professur für Bioanalytische Chemie

Prof. Dr. Xinliang Feng
Technische Universität Dresden
Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie
Professur für Molekulare Funktionsmaterialien

Prof. Dr. Stefan Kaskel
Technische Universität Dresden
Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie
Professur für Anorganische Chemie I

Projektbeschreibung

Aufgrund der natürlichen Häufigkeit und reversiblen Multielektronen-Redoxchemie haben Batterien auf der Basis mehrwertiger Metallionen (zweiwertig: Mg2+, Zn2+, Ca2+, etc. dreiwertig: Al3+, etc.) als vielversprechende Alternativen für Post-Li-Ionen-Batterietechnologien an Bedeutung gewonnen. Die große Herausforderung liegt jedoch in der begrenzten Verfügbarkeit von leistungsfähigen Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität, guter Reversibilität und langfristiger Zyklisierbarkeit. In diesem Zusammenhang sind redox-aktive kovalente organische Gerüstverbindungen (engl.: covalent organic frameworks = COFs) als Wirtmaterialien für multivalente Metallionen von großem Interesse, da COFs hohe spezifische Oberflächen, einstellbare Porenstrukturen und aktive Zentren sowie eine einzigartige Koordinationschemie mit multivalenten Metallionen aufweisen.

Dieses Projekt plant die Entwicklung und Synthese neuer redox-aktiver COFs, die Erforschung ihrer Anwendungen als Kathodenmaterialien für die Einlagerung multivalenter Metallionen (Zn2+, Mg2+ und Al3+ in der ersten Phase des SPP-Projekts) und den Versuch, den Mechanismus der Einlagerung multivalenter Metallionen mit Hilfe der in-situ/ex-situ Festkörper-NMR-Spektroskopie aufzuklären.  

Ex-situ Festkörper-NMR-Experimente werden Aufschluss über die Einlagerung der Kationen in die Elektrodenmaterialien, bevorzugte Wechselwirkungsplätze sowie den Koordinationszustand NMR-aktiver Kationen wie 27Al liefern. In-situ-Experimente werden dann erlauben, die Wechselwirkung zwischen Elektrodenmaterialien und Kationen unter Spannung zu verfolgen. Die Materialien werden auch nach dem Durchlaufen mehrerer Lade-/Entladezyklen mittels Festkörper-NMR untersucht, um Alterungs- und Zersetzungsprozesse auf molekularer Ebene zu charakterisieren.

Der Erfolg dieses Projekts wird aufschlussreiches Erkenntnisse über das Design und die Synthese von leistungsstarken COFs mit einer Vielzahl redox-aktiver Zentren (wie Imide, Carbonyle, Hexaazatrinaphthaline, Sulfide, Polysulfide), chemisch stabilen Verknüpfungsmotiven (wie sp2-Kohlenstoffe (C=C), Imide (C(=O)-N) und Triazine (cyclisch -C=N)) und genau definierter Porenstruktur liefern. Durch die elektrochemischen Untersuchungen und mechanistische Studien wird das Projekt ein signifikantes Verständnis zur Chemie der Einlagerung multivalenter Metallionen liefern und Struktur-Funktionsbeziehungen herstellen, welche die zukünftige Entwicklung neuartiger Hochleistungs-COF-Elektroden für Batterien auf der Basis von multivalenten Metallionen leiten wird.

Grafik Grafik: Prof. Dr. Eike Brunner, TU Dresden / Prof. Dr. Xinliang Feng, TU Dresden / Prof. Dr. Stefan Kaskel, TU Dresden
Polyimidazole als Redox-aktive Elektroden für stark eutektische Elektrolyte in Polymer-Batterien Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Timo Jacob
Universität Ulm
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Elektrochemie

Prof. Dr. Alexander Kühne
Universität Ulm
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Organische Chemie III

Projektbeschreibung

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer vollständig biologisch abbaubaren Polymerbatterie. Dazu beforschen wir Polyimidazole als redox-aktive Elektrodenmaterialien in Kombination mit tief-eutektischen Lösungsmitteln als Elektrolyten. Polyimidazol ist sowohl leicht oxidierbar als auch reduzierbar und stellt daher ein hervorragendes Material sowohl für die Kathode als auch für die Anode dar. Imidazol-Monomere können aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden, während Polyimidazole durch Kompostierung biologisch abbaubar sind. Durch Elektrospinnen kann aus dem Polymer ein Faserelektrodenvlies mit sehr großer Oberfläche erhalten werden. Als Elektrolyte werden metallfreie, tief eutektische Lösungsmittel (DES) verwendet, die aus biologisch abgeleiteten und nicht zytotoxischen Verbindungen zugänglich sind.

In diesem Projekt werden wir die Imidazol-Polymere so optimieren, dass performante Polymer-basierte Ladungsspeichern erhalten werden. Darüber hinaus sollen geeignete DES auf ihre elektrochemischen Eigenschaften hin charakterisiert und zusammen mit den Polyimidazol-Elektroden in Batteriezellen getestet werden. Schließlich werden wir die Biokompatibilität und Abbaubarkeit unserer Materialsysteme untersuchen.

Grafik Grafik: Prof. Dr. Timo Jacob, Uni Ulm / Prof. Dr. Alexander Kühne, Uni Ulm
Elektrochemische Herstellung von funktionalen und elektrisch leitfähigen Polymeren als freistehende Kathoden für Lithium Schwefel Batterien: Synthese, Operando Analyse und Simulation Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Joachim Dzubiella
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Physikalisches Institut
Angewandte Theoretische Physik - Computergestützte Physik

Prof. Dr. Yan Lu
Universität Potsdam
Institut für Chemie

Dr. Sebastian Risse
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Institut Weiche Materie und Funktionale Materialien
Lise-Meitner-Campus

Projektbeschreibung

In diesem Projekt wird eine elektrochemisch hergestellte Polymerkathode aus poly(4-(thiophen-3-yl) benzenethiol (PTBT) mit operando Methoden und theoretischen Modellierungen untersucht. Diese Kathode ist frei-stehend, elektrisch leitfähig, mechanisch flexibel und dient als Schwefelreservoir für Lithium/Schwefel Batterien. Im Besonderen, wird PTBT mittels Elektropolymerisation auf einen Nickelschaum aufgetragen. Dies ermöglicht eine Anwendung als hochporöse und binderfreie Kathode in Li-S Batterien. Schwefel kann mit dem Polymer PTBT durch inverse Vulkanisierung ein hochvernetztes Copolymer bilden P(S-PTBT), wobei der Schwefel chemisch an die Thiolgruppen von PTBT gebunden wird. Durch die Anwendung eines neuartigen, eigenentwickelten operando Setups, das mehr als drei verschiedene Messungen gleichzeitig erlaubt, während die Zelle geladen bzw. entladen wird, werden mechanistische Einsichten von wichtigen Reaktionsschritten ermöglicht, so z. B. der Prozess, der den Schwefel während der elektrochemischen Oxidation chemisch an die Polymerkette bindet. Für diese Untersuchungen werden UV/vis-, Raman- und Impedanzspektroskopie in Kombination mit entweder Röntgenbildgebung oder Kleinwinkelstreuung genutzt.

Die Experimente werden in enger Zusammenarbeit mit intensiven Modellierungs- und Simulationsstudien auf elektronischer und molekularer Skala ausgewertet. Es werden sowohl die Stabilität als auch die elektronische/molekulare Struktur des an die Thiolgruppen des neutral und geladenen Polymers kovalent-gebundenen Schwefels untersucht. Hierzu werden moderne Austauschkorellationsfunktionale aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) benutzt. Um die Struktur-Performanz Beziehung der in diesem Projekt vorgeschlagenen Kathoden darzulegen, werden die Ergebnisse der operando Analyse herangezogen. Hierbei werden Resultate der UV/vis Spektroskopie direkt mit DFT-Berechnungen und DFT-optimierten, klassischen molekulardynamischen (MD) Simulationen verglichen.

Kurzum, durch die Kombination von Synthese, operando Analyse und Simulation wird ein besseres mechanistisches Verständnis der Energiespeicherprozesse und Struktur-Eigenschafts-Beziehung in diesem System erwartet. Diese so gewonnenen Kenntnisse werden für eine kontinuierliche Verbesserung der Materialparameter verwendet. Somit wird eine Erhöhung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Li-S Batterien der nächsten Generation erreicht.

Grafik Grafik: Prof. Dr. Joachim Dzubiella, Uni Freiburg / Prof. Dr. Yan Lu,, Uni Potsdam / Dr. Sebastian Risse, HZB
Aluminium- und Magnesium-organische polymerbasierte Batterien (AMPERE) Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Birgit Esser
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Organische Chemie

Prof. Dr. Ingo Krossing
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Anorganische und Analytische Chemie

Projektbeschreibung

Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung Aluminium- und Magnesium-organischer, polymerbasierter Batterien. Die Synthese redox-aktiver Polymere sowohl vom p- als auch vom n-Typ als Kathodenmaterialien ist geplant. Diese werden Phenothiazin bzw. Chinone als redox-aktive Einheiten enthalten. Aluminium- und Magnesium-basierte Elektrolyte sollen entwickelt werden, die kompatibel mit den organischen Redoxpolymeren sind und eine reversible Abscheidung bzw. Auflösung des Al/Mg auf der Anode ermöglichen. Die Redoxpolymere werden in Vollzellen gegen Aluminium und Magnesium als Anode getestet. Diese Zellen werden im Fall von p-Typ-Polymeren im „Dual-Ion“-Modus und bei n-Typ-Polymeren im Kationen-„Rocking Chair“-Modus operieren. Mechanistische experimentelle und computergestützte Untersuchungen werden Einblicke in die Ionen-Insertionsprozesse der polymerbasierten Elektroden erlauben.

Grafik Grafik: Prof. Dr. Birgit Esser, Uni Freiburg / Prof. Dr. Ingo Krossing, Uni Freiburg
Entwicklung neuer redoxaktiver Polymere auf Basis von Benzimidazol, Benzoxazol und Benzothiazol – ein kombinierter theoretischer und experimenteller Screening-Ansatz Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Doreen Mollenhauer
Justus-Liebig-Universität Gießen
Fachbereich Biologie und Chemie
Physikalisch-Chemisches Institut

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie

Projektbeschreibung

Batterien auf Polymerbasis haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften großes Forschungsinteresse auf sich gezogen. Zu ihren Vorzügen zählen ihr geringes Gewicht, die Möglichkeit, auf kritische Metalle zu verzichten, die Nutzung verfügbarer Elemente und ihre bessere Nachhaltigkeit bei Herstellung und Wiederverwertung. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene redoxaktive Polymere untersucht, was zu vielen Strukturmotiven führte, die als potenzielle Elektrodenmaterialien identifiziert wurden. Derzeit sind allerdings nur begrenzt verschiedene Anodenmaterialien verfügbar. In diesem Zusammenhang werden in diesem Gemeinschaftsprojekt der FSU Jena und der JLU Giessen neue redoxaktive Polymere entwickelt, die auf drei Strukturmotiven basieren: Benzimidazole, Benzoxazole und Benzothiazole, die alle pyridyl-substituiert sind. Die resultierenden (elektrochemischen) Eigenschaften können durch die Substituenten und das Heteroatom im Fünfring (-NH-, NR-, -O-, -S-) eingestellt werden. Ein kombinierter theoretischer (JLU) und experimenteller (FSU) Screening-Ansatz wird verwendet, um die vielversprechendsten aktiven Materialien zu identifizieren. Zunächst werden geeignete Redox-Einheiten durch Berechnung und theoretisches Screening verschiedener Modellverbindungen mittels DFT untersucht. Darüber hinaus werden Redox-Einheiten mit vielversprechenden Eigenschaften synthetisiert und ihre elektrochemischen Eigenschaften untersucht. Basierend auf diesem ersten Screening werden geeignete Einheiten für die Integration in Polymere ausgewählt. Der zweite Schritt des Projekts ist die Modellierung der Polymere sowie ihre Synthese und die Untersuchung ihrer elektrochemischen Eigenschaften. Die Polymermaterialien mit den besten Eigenschaften werden für die Herstellung von Elektroden verwendet werden. Diese Elektroden werden in (Halb) Zelltests getestet.

Grafik Grafik: Prof. Dr. Doreen Mollenhauer, Uni Gießen / Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, FSU Jena
Aufklärung von Degradationsmechanismen in Polymer-basierten Dual-Ionen-Batterien und Entwicklung von Strategien zur Leistungsoptimierung Inhalt einblenden

Projektleitung

Dr. Tobias Placke
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie

Projektbeschreibung

Polymer-basierte Batterien gelten als aussichtsreiche Kandidaten für eine nachhaltige Energiespeicherung, was u.a. motiviert wird durch einen reduzierten Energieverbrauch bei der Herstellung, eine einfachere Recyclingfähigkeit sowie die Verwendung leicht zugänglicher Materialien und dem Austausch kritischer Metalle. Aktuell leiden Polymer-basierte Batterien jedoch unter diversen Herausforderungen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz, insbesondere einer geringen Energiedichte oder nicht ausreichender Zyklenstabilität. Zudem fehlt aktuell noch ein grundlegendes Verständnis bzgl. der Kapazitätsverluste der Zellen sowie der auftretenden Alterungsmechanismen an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen.

In diesem Projekt soll ein Spezialtyp einer Polymer-basierten Batterie systematisch untersucht werden, eine sogenannte Polymer-basierte Dual-Ionen-Batterie (DIB), welche organische Materialien des n- und p-Typs zur simultanen Speicherung von Kationen und Anionen verwendet. Das DIB-System unterscheidet sich von klassischen Polymer-Batterien basierend auf dem Kationen- oder Anionen-„Rocking-Chair“-Prinzip, da hier nicht nur eine Ionensorte, sondern sowohl Kationen als auch Anionen beteiligt sind. Dieses Speicherprinzip bietet verschiedene Vorteile, wie u.a. eine hohe Variabilität möglicher Kation-Anion-Paare sowie typischerweise eine hohe Zellspannung, die durch geeignete Polymermaterialien erreicht werden kann.

Zur Entwicklung Polymer-basierter DIB-Systeme mit verbesserter Energiedichte und Stabilität werden in diesem Projekt verschiedene Strategien adressiert:

  1. Design neuartiger Polymermaterialien mit höherem Arbeitspotential für die positive Elektrode („Spannungstuning“),
  2. Entwicklung von Hybridsystemen wie Graphit || Polymer mit hoher Zellspannung,
  3. Entwicklung von „All-Polymer“-DIB-Systemen, mit verschiedenen Konzepten wie der Entwicklung ambipolarer Polymersysteme sowie sogenannter „Reverse-All-Polymer-DIB-Systeme“.

Die verschiedenen Polymer-DIB-Systeme sollen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz umfassend untersucht werden, wobei der Einfluss der Elektrolytformulierung und der gebildeten „Interphasen“ auf die reversible Kapazität und Stabilität während der Lade-/Entladezyklisierung im Vordergrund der Untersuchungen stehen. Zu diesem Zweck werden verschiedene ex-situ und in-situ Analysen durchgeführt, um wichtige und umfassende Einblicke in die mechanistischen Eigenschaften der Kationen- bzw. Anionen-Speicherung, die Stabilität der Polymermaterialien und die Rolle der „Interphasen“ zu erhalten.Es wird erwartet, dass die in diesem Projekt gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse für die Entwicklung verbesserter polymerer Aktivmaterialien und optimierter Elektrolyte für Polymer-basierte DIB-Zellen mit hoher Energiedichte und Zyklenstabilität von großer Bedeutung sind.

Grafik Grafik: Dr. Tobias Placke, WWU Münster / Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, FSU Jena
Entwicklung von Polymerelektrolyten komplementär zu Modellsystemen für Batterien auf Polymerbasis Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie

PD Dr. Petra Uhlmann
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)

Projektbeschreibung

Ziel dieses gemeinsamen Projektes von IPF Dresden und FSU Jena ist die Entwicklung neuartiger Polymerelektrolyte, komplementär zu relevanten Modell-Aktivmaterialien, für polymerbasierte Batterien. Die zu entwickelnden Elektrolyte werden mit polymerchemischen Mitteln hinsichtlich Ionentransport, Morphologie, thermischer und elektrochemischer Stabilität und Kompatibilität mit den Elektroden (z.B. Aktivmaterial und Leitadditiv) maßgeschneidert. Neben der Erforschung prinzipieller Transportmechanismen, soll das Projekt einen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses von Elektrolytstruktur und der Grenzflächen zu den Elektroden auf die Zellleistung und, als Hauptziel, neue Erkenntnisse über den Zusammenhang von chemischer und morphologischer Struktur der Zellkomponenten und Batterieverhalten liefern.Dafür werden zuerst polymere Ionenleitersysteme für Einzelionen synthetisiert, die für Aktivmaterialen, die einen Anionentransport erfordern, geeignet sind. Der zweite Ansatz zielt darauf, auch Systeme mit einer Umkehr des Ladungstransports zu untersuchen, hierfür werden Aktivmaterialien mit geladenen Spezies ausgerüstet. Weiterhin werden Triblock-Copolymere entwickelt, die alle für eine molekulare Batterie notwendigen Komponenten enthalten.

Redox-Flow-Batterie im Labor Foto: Jan-Peter Kasper (Universität Jena)
Redox-aktive organische Bausteine in linear-amorphen Polymeren im Vergleich zu hoch-geordneten COFs als hierarchisch-strukturierte Batterie-Elektrodenmaterialien – PROMISE Inhalt einblenden

Projektleitung

Dr. Oliver Dumele
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Chemie
Arbeitsgruppe Organische Chemie und funktionale Materialien

Prof. Dr. Birgit Esser
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Organische Chemie

Projektbeschreibung

Eine Vielzahl redox-aktiver organischer Verbindungen und Polymere sind bereits bekannt als potentielle Elektrodenmaterialien für organische Batterien. Dennoch ist über die relative molekulare Anordnung dieser redox-aktiven Untereinheiten in Polymermaterialien wenig bekannt. Nicht-kovalente Wechselwirkungen sowie eine kristalline Ordnung und die hierarchische Strukturierung von Mehrkomponentensystemen können einen bedeutsamen Einfluss auf die Leistung der Batterien haben.

Wir vergleichen in diesem Projekt systematisch verschiedene redox-aktive Monomere in linearen amorphen Polymeren mit ihren analogen kristallinen zweidimensionalen kovalent-organischen Gerüstverbindungen (2D-COFs). Dies umfasst die Synthese neuer 2D-COFs und der korrespondierenden lineare Polymere mit direkt vergleichbaren redox-aktiven Einheiten. Dabei werden durch spektroskopische und elektrochemische Methoden die fundamentalen Mechanismen der Ladungs- und Radikalstabilisierung untersucht. Durch die Herstellung von Batteriezellen mit den erhaltenen linearen Polymeren und 2D-COFs wird eine Struktur–Eigenschaftsbeziehung erstellt, welche auf die systematische Verbesserung der Batterieleistung abzielt.

Grafik Foto: Dr. Oliver Dumele, HU Berlin / Prof. Dr. Birgit Esser, Uni Freiburg
Polymere auf Basis von Quadratsäureamiden und Cyclopropen-Kationen als neue Elektrodenmaterialien zur Energiespeicherung: Synthese und elektrochemische Charakterisierung Inhalt einblenden

Projektleitung

Dr. Dominic Bresser
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU)

Professor Dr. Max Martin Hansmann
Technische Universität Dortmund
Fakultät Chemie und Chemische Biologie
Organische Chemie

Professor Dr. Patrick Théato
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Technische Chemie und Polymerchemie

Projektbeschreibung

Dieses Projekt zielt darauf ab, synthetisches und elektrochemisches Fachwissen zu kombinieren, um die Entwicklung neuer kleiner elektroaktiver organischer Moleküle und deren Einarbeitung in Polymere voranzutreiben. Die am häufigsten untersuchten organischen Radikalbatteriesysteme basieren auf TEMPO-haltigen Polymeren. Um jedoch ihre Leistung und insbesondere ihre Energiedichte zu verbessern, sind neuartige kleinere organische redoxaktive Moleküle dringend erforderlich. Hierbei konzentrieren wir uns auf die kleinsten bekannten redoxaktiven organischen Spezies, nämlich Derivate von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden. Sie sollen als Bausteine für eine neue Klasse von redoxaktiven Polymeren dienen, die sich als Materialien zur elektrochemischen Energiespeicherung eignen. Diese redoxaktiven Polymermaterialien in Organischen Radikalbatterien müssen eine Reihe von Kriterien erfüllen:

  1. stabile und reversible Redoxzustände, 
  2. einfacher synthetischer Zugang, sowie 
  3. große positive und/oder negative Redoxpotenziale, um hohe Vollzellenspannungen zu erhalten.
Grafik Grafik: Dr. Dominic Bresser, KIT / Prof. Dr. Max Martin Hansmann, TU Dortmund / Prof. Dr. Patrick Théato, KIT
Einblicke in die Dotierungsmechanismen von Polymerelektrolyt / redoxaktiven organischen Radikal Polymer lamellaren Verbundwerkstoffe Inhalt einblenden

Projektleitung

PD Dr. Gunther Brunklaus
Forschungszentrum Jülich
Helmholtz-Institut Münster

Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)

Prof. Dr. Andreas Heuer
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Institut für Physikalische Chemie

Projektbeschreibung

In diesem Projekt werden Mehrschichtpolymerbatterien in einem holistischen Ansatz, bestehend aus Synthese, elektrochemischer Charakterisierung, theoretischer und numerischer Modellierung sowie einer Bandbreite an EPR-Techniken, untersucht. Die lamellar aufgebauten Zellen bestehen zunächst aus einer Lithium-Metall-Anode, einer lithiumionenleitenden Polymerelektrolytschicht, einem polymeren Anionen- und Kationenreservoir sowie einem anionenleitenden redoxaktiven Polymer als Kathode. Die Eigenschaften des Zelldesigns werden eingehend mit denen von PolyTEMPO, einem für Flüssigelektrolyte etablierten Redoxpolymersystem, verglichen.

Der Syntheseteil umfasst die Herstellung und Verarbeitung der Polymermaterialien zu lamellaren Verbundwerkstoffen sowie deren umfassende elektrochemische Charakterisierung. Dabei wird das Kathodenmaterial durch chemische Funktionalisierung speziell in Bezug auf Zellspannung, Lade- und Entladekinetik sowie der für Ladungsausgleich/Ladungstransfer wichtigen Anionenmobilität innerhalb der Kathode optimiert.

Details der Radikaltransfermechanismen und auftretender Ionenspezies werden mittels continuous-wave- und wenn möglich gepulsten EPR-Methoden aufgeklärt, wobei spektrale Merkmale reiner und zyklisierter Materialien (post mortem) verglichen werden, einschließlich der Aufklärung der Abstände und Verteilung auftretender Radikalspezies (PELDOR, DEER, ENDOR, HYSCORE). In-operando-EPR wird an ausgewählten Proben durchgeführt, um die zeitliche Entwicklung radikaler Spezies anhand ihres Fingerabdrucksignals zu verfolgen sowie molekulare Details der Ladungstransfersprozesse zu erfassen.

Zusätzliche Einblicke in mechanistische Details des Elektronen- und Ionentransports innerhalb des (Polymer-)Schichtverbundes werden durch theoretische und numerische Modellierung gewonnen. Es werden quantenchemische Methoden zur Charakterisierung elektronischer Eigenschaften der redoxaktiven Polymere eingesetzt, derweil weitreichender Ionentransport sowie etwaige Dotierungsmechanismen organischer Kathoden durch molekulardynamische (MD) Simulationen analysiert werden. Auch sollen MD-Simulationen durch Monte-Carlo-Schritte erweitert werden, um Elektronentransferprozesse über mehrere Monomere zu modellieren und im Abgleich mit experimentellen Daten nachzuvollziehen.

Insgesamt soll durch den systematischen Ansatz ein grundlegendes Verständnis relevanter elektrochemischer Prozesse, vom elementaren Elektronentransfer bis hin zum Ionentransport durch die Grenzflächen, erzielt werden. Diese Erkenntnisse dienen dabei als Leitfaden zur Identifizierung vielversprechender redoxaktiver Polymermaterialien sowie gezielten Gestaltung der Grenzflächen innerhalb der (Polymer-)Mehrschichtstrukturen, um die zukünftige Entwicklung leistungsfähiger und möglichst lösemittelarmer oder sogar lösemittelfreier organischer Radikalbatterien zu fördern. Dies schliesst die im Verbund entwickelten alternativen organischen Elektrodenmaterialien mit ein.

Grafik Grafik: Dr. Gunther Brunklaus, Forschungszentrum Jülich / Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel, Forschungszentrum Jülich GmbH, Prof. Dr. Andreas Heuer, WWU Münster
Entwicklung von Aktivmaterialien für organische Batterien basierend auf elektropolymerisierten Polymeren mit stabilen organischen Radikalen Inhalt einblenden

Projektleitung

Dr. Christian Friebe
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie

Dr. Stephan Kupfer
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Chemisch-Geowissenschaftliche Fakultät
Institut für Physikalische Chemie
Arbeitsgruppe Theoretische Chemie

Projektbeschreibung

Heutige Batterietechnologien basieren hauptsächlich auf Metallen wie Lithium, Blei, Kobalt oder Nickel. Deren begrenztes natürliches Vorkommen sowie Toxizität und die daraus resultierenden Entsorgungsprobleme schränken jedoch die langfristige Verwendung solcher Metalle ein. Als Alternative haben sich im Rahmen jüngster Forschungen polymere Verbindungen, also Kunststoffe, herausgestellt. In diesem Zusammenhang wurden insbesondere Polymere, die stabile organische Radikale enthalten, intensiv untersucht und zeigten vielversprechende Ladungsspeichereigenschaften, insbesondere eine überlegene Redoxkinetik.

Solche Materialien leiden jedoch unter unzureichender elektrischer Leitfähigkeit, die die anwendbaren Lade- und Entladeraten begrenzt, wodurch die vorteilhaften Elektronentransfereigenschaften aufgehoben werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung dieses Problems ist der Einbau von leitfähigen, d.h. konjugierten Polymeren. Diese Materialien bieten mehrere vorteilhafte Eigenschaften, die für eine organische Batterie ausgenutzt werden können:

  1. Als Halbleiter zeigen sie elektrische Leitfähigkeit; 
  2. sie können durch Elektropolymerisation hergestellt werden und bieten so eine effiziente Möglichkeit, direkt auf Elektrodenoberflächen abgeschieden zu werden; 
  3. sie bieten intrinsische Ladungsspeicherfähigkeit.

Allerdings zeigen Systeme, die auf der eigenen Speicherfähigkeit von konjugierten Polymeren basieren häufig driftende Lade- und Entladespannung, was deren Anwendungspotenzial erheblich einschränkt. In Kombination mit stabilen Redoxeinheiten, die die Ladungsspeicherung übernehmen, wie organische Radikale, können aber die elektrische Leitfähigkeit sowie die elektrochemische Verarbeitbarkeit zu vielversprechenden Batterieaktivmaterialien führen. Trotzdem wurden bisher nur wenige solche Beispiele in der Literatur vorgestellt.

Daher soll im Rahmen dieses Projekts die Palette organischer Batteriematerialien durch die Kombination stabiler organischer Radikale mit elektropolymerisierbaren Einheiten erweitert werden, um Systeme herzustellen, die sowohl verbesserte elektrochemische Stabilität als auch elektrische Leitfähigkeit bieten.

Grafik Grafik: Dr. Christian Friebe, FSU Jena /Dr. Stephan Kupfer, FSU Jena
Charakterisierung von Fabrikation-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen für polymerbasierte Batteriematerialien durch die Kombination von tomographischer 3D-Bildgebung mit Modellierung und Simulation Inhalt einblenden

Projektleitung

Prof. Dr. Thomas Carraro
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Fakultät für Maschinenbau
Professur für Angewandte Mathematik

Dr. Ingo Manke
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Prof. Dr. Volker Schmidt
Universität Ulm
Fakultät für Mathematik und Wirtschaftswissenschaften
Institut für Stochastik

Projektbeschreibung

Die 3D-Morphologie von Batterieelektroden ist entscheidend für ihre Leistungsfähigkeit und ihr Degradationsverhalten. Im Falle von Polymerbatterien sind die Beziehungen zwischen Fabrikation, Mikrostruktur und Eigenschaften jedoch noch nicht gut verstanden.

In diesem Projekt werden dreidimensional-abbildende (operando)- Charakterisierungsmethoden im Nano- und Mikrometerbereich eingesetzt, um eine genaue Kenntnis der 3D-Struktur und -Morphologie von experimentell hergestellten polymerbasierten Batterieelektroden und ihrer funktionalen Eigenschaften zu erhalten. Aus den tomographischen Datensätzen werden mit Hilfe stochastischer Modelle digitale Zwillinge erzeugt, die als Grundlage für das virtuelle Design und Testen von Elektrodenmaterialien dienen.

Anschließend werden räumlich aufgelöste numerische Simulationen des Ladungstransports zusammen mit einem mehrskaligen elektrochemischen Modell verwendet, um zu untersuchen, wie unterschiedliche Elektrodenmorphologien die elektrochemischen Prozesse beeinflussen.  

Das Projekt wird dazu beitragen, den Weg für die Herstellung geeigneter und stabiler hierarchischer 3D-Morphologien auf der Mikro- und Nanometerskala aufzuzeigen, die eine gleichzeitige ionische und elektronische Leitfähigkeit durch die Elektrode sicherstellen, was zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung von polymerbasierten Batterien führt.

Links: FIB/SEM-Tomographie einer Polymer-Verbundelektrode (Probe des Kompositmaterials - PTMA, Super P, PVdF - zur Verfügung gestellt von der Schubert-Gruppe). Rechts: Interaktionsdiagramm für das Teilprojekt Carraro/Manke/Schmidt. Links: FIB/SEM-Tomographie einer Polymer-Verbundelektrode (Probe des Kompositmaterials - PTMA, Super P, PVdF - zur Verfügung gestellt von der Schubert-Gruppe). Rechts: Interaktionsdiagramm für das Teilprojekt Carraro/Manke/Schmidt. Grafik: Dr. Thomas Carraro, Helmut-Schmidt-Universität / Dr. Ingo Manke, HZB / Prof. Dr. Volker Schmidt (Uni Ulm)
Synthese, in-operando X-ray Spektroskopie und theoretische Modellierung von neuen Li-S Batterien mit zweifachen Redoxsystemen Inhalt einblenden

Projektleitung

Dr. Matthias Müller
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Abteilung 7 - Temperatur und Synchrotronstrahlung

Prof. Dr. Michael Sommer
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Chemie

PD Dr. Michael Walter
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
FIT Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe
und bioinspirierte Technologien

Projektbeschreibung

In diesem Project sollen neue Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel Batterien mit zusätzlichen Redoxeinheiten synthetisiert, charakterisiert, modelliert und mit hochanspruchsvoller operando X-ray Spektroskopie untersucht werden.

Redox-aktive Comonomere mit unterschiedlichem Redoxpotential sollen als Vernetzer für die inverse Vulkanisierung von elementarem Schwefel verwendet werden. In den so hergestellten Schwefel-Copolymernetzwerken kann dann durch das Vorhandensein des redoxaktiven Vernetzers zusätzliche Ladung gespeichert werden. Für die neuen Schwefel-Copolymernetzwerke werden maßgeschneiderte Gelelektrolyte, die innerhalb eines erweiterten Potentialfensters stabil sind, verwendet. Die Synthese, Charakterisierung, Elektrodenherstellung, Optimierung des Elektrolyten sowie elektrochemische Untersuchungen werden an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt.

Die neuen Batterieelektroden werden weiterhin an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt mittels operando near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) Spektroskopie, X-ray emission spectroscopy und referenzefreie X-ray Fluoreszenzanalyse untersucht werden, um sowohl den gegenseitigen Einfluss der beiden Redoxsysteme (Schwefel und Redoxmonomer), mechanistische Details sowie Nebenreaktionen während dem Batteriebetrieb zu untersuchen.

Diese Untersuchungen werden durch theoretische Berechnungen der Universität Freiburg unterstützt, um die Stabilität und elektronische Struktur der beteiligten Spezies zu verstehen. Zusätzlich werden NEXAFS Spektren auf einer absoluten Skala berechnet, wodurch eine verlässliche Identifizierung von Intermediaten möglich wird.

Die Synergien dieses kombinierten theoretischen und experimentellen Projekts werden zu einem verbesserten mechanistischen Verständnis, und damit zu stabileren und effizienteren Materialien für LiS- und Polymer-Batterien führen. 

Grafik Grafik: Dr. Matthias Müller,PTB / Prof. Dr. Michael Sommer, TU Chemnitz / PD Dr. Michael Walter, Uni Freiburg
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