Energie-Materialien

Die Juniorforschungsgruppe „Energie-Materialien“ entwickelt und erforscht funktionelle Nanomaterialien für elektrochemische Anwendungen. Im Vordergrund stehen nachhaltige und energieeffiziente Applikationen zum Speichern, Abrufen und Rückgewinnen von Energie sowie zur Wasseraufbereitung. Diese Breite von Anwendungen wird durch Nanomaterialien und die Technologieplattform der elektrischen Doppelschicht ermöglicht, welche auf der hocheffizienten Elektrosorption von Elektrolyt-Ionen an der flüssig/fest Phasengrenze basiert. Aus organischen und anorganischen Präkursoren werden poröse Kohlenstoffmaterialien und Kohlenstoff-Hybrid-Materialien entwickelt, deren chemische, morphologische und elektrische Eigenschaften durch chemische und physikalische Verfahren eingestellt werden. In Abhängigkeit von der Applikation und dem eingesetzten Elektrolyt muss vor allem die Porosität und die Porengrößenverteilung der Nanoporen optimiert werden.

Abb. 1 Schematische Darstellung des Mechanismus der elektrischen Doppelschicht.


ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG (EES)

Elektrochemische Energiespeicherung (EES) zeichnet sich durch besonders hohe Effizienz und kurze Ladezyklen aus. Diese Kriterien gelten insbesondere für Superkondensatoren, die sich durch eine besonders hohe Leistungsdichte und Langlebigkeit auszeichnen. Superkondensatoren können auf faradayschen oder nicht-faradayschen Interaktionen an der flüssig/fest-Phasengrenze zwischen Elektrolyt und Elektrode beruhen und werden entsprechend als Pseudokondensatoren oder elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) bezeichnet. Letztere speichern nur rein physikalisch, durch Ionenelektrosorption, Energie und grenzen sich hiermit vor allem durch die stoffliche oder chemische Energiespeicherung von Brennstoffzellen und Batterien ab. Wir entwickeln nicht nur verlässliche Messprotokolle und untersuchen Langzeitstabilität und Belastbarkeit, sondern untersuchen auch mittels in situ Methoden den Energiespeichermechanismus. Hierzu ist es wichtig, dass unsere Untersuchungen von der molekularen Synthese der Elektrodenmaterialien und Separatoren bis hin zu Messzellen und in situ Methoden reichen. Daneben erforschen wir den Einsatz grüner Synthesewege und umweltverträgliche Elektrodenpräparation.

Abb. 2 Schematische Darstellung faradayscher und nicht-faradayscher Speichermechanismen in Superkondensatoren (inkl. Pseudokondensatoren).

ELEKTROSORPTIVE ENTIONISIERUNG (CDI)

Die elektrische Doppelschicht kann nicht nur zur Energiespeicherung genutzt werden, sondern auch zur effizienten Wasseraufbereitung mittels kapazitiver Entionisierung (CDI, Abb. 3). Wie EDLCs, so basiert auch CDI auf einem reversiblen elektrochemischen Prinzip. In der elektrischen Doppelschicht werden Ionen elektrosorbiert und hierdurch einem an den Elektroden vorbei (oder hindurch) fließenden Flüssigkeitsstrom durch Immobilisierung entzogen. Die hohe Energieeffizienz dieser Technologie lässt sich im Modellsystem NaCl in Wasser darstellen: für ein Elektron an der Anode und einer positiven Ladung an der Kathode wird im Idealfall je ein Na+ und ein Cl- Ion elektrosorbiert. Entsprechendes gilt auch für andere Ionen, wie Nitrat, Sulfat, Carbonat oder Ähnliche. Insbesondere die Reinigung dieser Ionen nimmt einen immer stärkeren Stellenwert ein.


Abb. 3 Schematische Darstellung des Prinzips der kapazitiven Entionisierung (CDI).

FLUSSELEKTRODEN

Ein neuer Ansatz für kapazitive Anwendungen ist unsere Forschung an fließfähigen Kohlenstoff-Elektrolyt-Suspensions-Elektroden. Diese ermöglichen besonders kostengünstige und großskalige Systeme für die Stabilisierung des Stromnetzes. Ein leicht modifizierter Aufbau ermöglicht sehr effiziente und kontinuierliche Entsalzung. Mit Hilfe dieser Flusselektroden kann auch kontinuierlich elektrische Energie aus Konzentrationsgradienten (z.B. Flusswasser vs. Meerwasser) oder aus eingeleitetem, gelöstem CO2-Gas erzeugt werden. Somit ließe sich aus CO2-Abgasen in Fabriken und Kraftwerken sogar Strom erzeugen.


Abb. 4 Schematische Darstellung eines Superkondensators basierend auf der Flusselektroden-Technologie.

FUNKTIONELLE NANOKOHLENSTOFFE UND HYBRIDMATERIALIEN

Eine wichtige Säule unserer Arbeit ist die Synthese und die Charakterisierung von funktionellen Materialien, vor allem aber Nanokohlenstoffen und Hybridmaterialien mit hoher spezifischer Oberfläche. Eine wichtige Gruppe hierbei sind präkursor-abgeleitete Kohlenstoffe, die aus Biomasse, Polymeren oder Karbiden gewonnen werden. Hybride, welche Kohlenstoffmaterialien mit redoxaktiven Materialien, wie Polymeren, Metalloxiden, Metallnitriden oder funktionellen Gruppen verbinden, werden von uns eingesetzt um die Energiedichte zu erhöhen. Insbesondere ist die sehr genaue Kontrolle der Porengröße und Porenverteilung von karbid-abgeleitetem Kohlenstoff (CDC) wichtig, um den Einfluss der Porosität auf die elektrochemischen Eigenschaften zu untersuchen. Hierzu kommen auch verschiedene spektroskopische, volumetrische und beugungstechnische in situ Methoden zum Einsatz. Besonders interessant ist die Möglichkeit, durch Formgebung Nanofasern, Sub-Mikrometer-Kugeln, oder Dünnfilme herzustellen und somit neue Elektrodenarchitekturen zu ermöglichen.


Abb. 5 Auswahl einiger Nanokohlenstoff- und Hybridmaterialien für elektrochemische Anwendungen: A) Aktivkohle/Leitruß/Polymer-Kompositelektrode, B) Elektrogesponnene Nanostrukturierte Kohlenstofffasern, C) Birnessite/Kohlenstoff-Hybridmaterial, D) Kohlenstoffnanozwiebeln hergestellt aus Nanodiamanten.