Elektrochemische Synthese metallorganischer Kompositmaterialien zur Anwendung in elektrochemischen Kondensatoren und Alkali-Schwefel-Akkumulatoren

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Julia Linnemann

Die elektrochemischen Energiespeicherklassen der Akkumulatoren und elektrochemischen Kondensatoren stellen wichtige komplementäre Systeme dar. Während Akkumulatoren eine hohe Energiedichte erreichen, sodass besonders viel Energie gespeichert werden kann, haben elektrochemische Kondensatoren zwar weniger Speichervermögen, können aber sehr schnell auf- und entladen werden. Kohlenstoffkompositmaterialien erfüllen die Materialanforderungen an Aktivmaterialien für Elektroden der meisten elektrochemischen Energiespeichersysteme.

Im Rahmen des Projektes werden metallorganische Ausgangsmaterialien synthetisiert, die als Plattform zur Weiterverarbeitung zu leistungsstarken Elektrodenmaterialien für verschiedene elektrochemische Energiespeicher dienen. Die strukturellen Voraussetzungen dafür können mit metallorganischen Gerüstverbindungen, kristalline Materialien, bei denen Metallionen über organische Linkermoleküle verknüpft sind, erfüllt werden. Sie enthalten eine Kohlenstoffquelle und feinverteilte Metallionen.

Im Projekt wird ein skalierbares elektrochemisches Verfahren zur Herstellung der metallorganischen Ausgangsverbindungen entwickelt, das es ermöglicht diese sowohl in Pulverform als auch als Beschichtungen auf leitfähigen Substraten herzustellen. Diese Schichten können durch einen einzigen Thermolyse-Schritt zu Metalloxid-Kohlenstoff-Kompositelektroden für hochstromfähige elektrochemische Energiespeichersysteme verarbeitet werden. Die Pulver können nach der thermischen Zersetzung zu elektrochemisch kapazitiven Metallnanopartikel-Kohlenstoffmaterialien weiterverarbeitet werden, indem der Metallanteil durch chemische Behandlung reduziert wird. Außerdem kann Schwefel infiltriert werden, um Kathodenmaterialien für Alkali-Schwefel-Akkumulatoren herzustellen. Der Thermolyseprozess realisiert die Umwandlung zu Kohlenstoffkompositen bei gleichzeitiger Generierung von Porosität durch entweichende Kohlenstoffoxidgase. Bei Matrixmaterialien zur Schwefeleinlagerung ist dies von Bedeutung, um eine hohe spezifische Massenbeladung zu erreichen und die Volumenausdehnung des Aktivmaterials durch die Entstehung von Schwefelverbindungen bei der Konvertierung ohne Zerstörung der Matrix zu ermöglichen. Bei elektrochemischen Kondesatoren wird dadurch eine hohe Oberfläche und Elektrolytzugänglichkeit erreicht. Während die Kapazität sogenannter Doppelschichtkondensatoren allein auf der elektrostatischen Aufladung der elektrochemischen Doppelschicht an der Grenzfläche von Material und Elektrolyt beruht, enthalten Pseudokondensatoren redoxaktive Spezies wie Metalloxide, an deren Oberfläche schnelle hochreversible elektrochemische Prozesse ablaufen. Die Kapazität von Pseudokondensatoren ist im Allgemeinen höher als bei Doppelschichtkondensatoren, während Stabilität sowie Ladungs- und Entladungsgeschwindigkeit aber geringer sind.

Förderzeitraum:
01.01.2015 - 31.12.2017

Institut:
Technische Universität Dresden Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Professur für Physikalische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Alexander Eychmüller

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Publikationen: