Design, Synthese und elektrochemische Untersuchung von organischen Elektrodematerialen für Magnesium- und Aluminium organische Batterien

Stipendiatin/Stipendiat: Gauthier Studer

Die Lithium-Ionen-Technologie ist die zur Zeit ausgereifteste Energiespeichertechnologie, die allerdings mit hohen Kosten einhergeht und an begrenzte Ressourcen von Lithium und Metalloxiden gebunden ist. Aus diesem Grund ist die Verwendung anderer Metallanodenmaterialien, wie z.B. Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Aluminium, die häufiger als Lithium vorkommen, attraktiv. Neben den Kosten könnte in solchen Zellen die Sicherheit erhöht sein, da bei der Abscheidung von Magnesium-/Aluminiumionen auf der Metalloberfläche keine Dendritenbildung auftritt, die zu einem thermischen Durchgehen oder sogar zu einem Brand in Li-Ionen-Batterien führen kann.

Die meisten der bekannten Metalloxide als Kathodenmaterial in Lithiumionenbatterien sind für Batterien basierend auf multivalenten Ionen nicht geeignet. Die (De-)Interkalation multivalenter Ionen in diesen Metalloxiden ist aufgrund des hohen Polarisationsvermögens der Kationen schwierig, was zu einer langsamen Kinetik und zu kurzen Lebensdauern führt. Organische Kathodenmaterialien stellen eine attraktive Alternative dar. Die vielfältigen Möglichkeiten im Design organischer Verbindungen ermöglichen eine breite Vielfalt an intrinsischen strukturellen, elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften. Die Redoxeigenschaften organischer Verbindungen können leicht durch Einbau von funktionellen Gruppen moduliert werden, wodurch die Batteriezellspannung angepasst werden kann. Darüber hinaus können organische Verbindungen aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, sind potenziell sicherer und leichter zu recyceln als Metalloxide aus herkömmlichen Batterien.

Das Hauptziel dieses Dissertationsprojekts ist die Entwicklung Magnesium- und Aluminium-organischer Batterien. Hierzu werden neuartige aliphatischer Polymere als Kathodenmaterialien synthetisiert und in Batterien gegen Magnesium (und Aluminium) als Anode untersucht werden. Das Forschungsvorhaben setzt sich deshalb zum einen aus der Synthese und Charakterisierung und zum anderen aus der elektrochemischen Untersuchung der hergestellten Polymere in Batteriezellen zusammen. Die verschiedene Polymere werden durch radikalische Polymerisation synthetisiert und mittels unterschiedlicher Methoden (z.B. NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie, TGA, DSC, GPC) analysiert und charakterisiert werden. Die elektrochemischen Eigenschaften werden mittels Cyclovoltammetrie untersucht werden. Polymere, die vielsprechende elektrochemische Aktivität zeigen, werden als aktives Material in Batteriezellen gegen Magnesium (und Aluminium) als Anode verwendet werden. Abschließend wird die Zusammensetzung der Zelle (Aktivmaterial, Elektrolyt, Additive, Bindemittel) optimiert werden, um leistungsstarke und langlebige Batteriezellen zu erhalten.

Förderzeitraum:
01.02.2020 - 31.01.2023

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Organische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Birgit Esser

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