Neuartige redoxaktive mischleitende Polythiophen-Schwefel-Copolymere als Kathodenmaterialien für lösungsmittelfreie Lithium-Schwefel-Batterien

Stipendiatin/Stipendiat: Jannik Petry

Der durch die Nutzung fossiler Brennstoffe befeuerte fortschreitende Klimawandel bedroht durch stetig steigende Oberflächentemperaturen die sensiblen globalen ökologischen Gleichgewichte. Regenerative Energiequellen stellen eine nachhaltige Alternative zur fossilen Energiewirtschaft dar. Um die fluktuierende Verfügbarkeit von vor allem Wind- und Solarenergie auszugleichen, ist jedoch eine Verbesserung der aktuellen elektrochemischen Energiespeichermedien (Batterien) unumgänglich. Dabei sind eine deutlich gesteigerte Energie-/Leistungsdichte und eine Erhöhung der Batteriesicherheit durch die Verwendung von Materialien mit geringer Flamm-/Brennbarkeit wichtige Anforderungen. Weiterhin kann die Nachhaltigkeit von Batteriesystemen gesteigert werden, wenn kostengünstige, reichhaltig verfügbare und weniger umweltbedenkliche Materialien zum Einsatz kommen.

Elementarer Schwefel, als Aktivmaterial für Kathodensysteme in Lithium-Schwefel-Batterien, erfüllt viele der Anforderungsbereiche neuer Batterietechnologien. Allerdings treten während der Lade- und Entladeprozesse intermediäre Lithium-Polysulfide auf, die in vielen der verwendeten Elektrolyte löslich sind und zu einer schnellen und signifikanten Abnahme der Batterieleistung führen (sog. „Shuttle Effect“). Weiterhin führt die geringe Leitfähigkeit von elementarem Schwefel zu einer langsamen Konversionskinetik, was die Anwendbarkeit bei hohen Lade-/Entladeströmen erschwert.

In dem hier vorgestellten Forschungsvorhaben möchte ich neue Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien synthetisieren, charakterisieren und in Lithium-Schwefel-Batterien anwenden. Dabei soll elementarer Schwefel durch inverse Vulkanisierung kovalent an neuartige funktionale Polymere gebunden werden, wodurch die Löslichkeit von Polysulfiden signifikant verringert werden kann. Als Polymere kommen halbleitende Polythiophenderivate mit verschiedenen Seitenketten (Alkyl- und Oligoethylenglykol-Segmenten) und funktionellen Gruppen (Vinyl- und Thiol-Gruppen) für die Verknüpfung mit Schwefel zum Einsatz. Die Polythiophen-Schwefel-Komposite (PTh-S) werden in Batteriezellen mit Lithiummetall-Anoden und Polymer-Feststoffelektrolyten kombiniert und umfassend bei verschiedenen Lade-/Entladeströmen und Ladezuständen analysiert. Die elektrisch und ionisch leitfähigen Segmente in der Nähe des Schwefels sollen zur Verbesserung der Reaktionskinetik führen. Durch Variation des Schwefelanteils, der Seitenkettendichte, -art und -länge soll eine bestmögliche Kombination von ionischer sowie elektrischer Leifähigkeit erreicht werden. Durch die Verwendung von verschiedenen funktionellen Gruppen soll weiterhin die Verknüpfungsstärke und die Reversibilität der Lade- und Entladeprozesse optimiert werden.

Förderzeitraum:
01.07.2021 - 30.06.2024

Institut:
Universität Bayreuth
Makromolekulare Chemie 1
Angewandte Funktionspolymere

Betreuer:
Prof. Dr. Mukundan Thelakkat

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