Energie-Materialien

Abb.1 Elektrochemische Energiespeicherung
Abb.1 Elektrochemische Energiespeicherung

Der Programmbereich Energie-Materialien entwickelt und erforscht funktionelle Materialien für elektrochemische Anwendungen. Im Vordergrund stehen nachhaltige und energieeffiziente Applikationen zum Speichern (Superkondensatoren, Batterien), Abrufen und Rückgewinnen von Energie sowie zur effizienten Wasseraufbereitung (kapazitive Entsalzung). Diese Breite von Anwendungen wird durch optimierte Nanomaterialien ermöglicht. Aus organischen und anorganischen Präkursoren werden nanoporöse Kohlenstoffmaterialien und Kohlenstoff-Hybrid-Materialien abgeleitet, deren chemische, morphologische und elektrische Eigenschaften durch chemische und physikalische Verfahren präzise eingestellt werden können. Die Größenskala reicht dabei von sub-Nanonometer Poren (z.B. carbide-derived carbons), Nanopartikeln (z.B. carbon onions, novolak-abgeleitete Kohlenstoffe) und elektrogesponnenen Nanofasern bis hin zu mm- oder cm-großen Monolithen. Elektrochemische Methoden und neue in situ Verfahren bilden einen besonderen Schwerpunkt.

 

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    Elektrochemische Energiespeicherung

    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. Redox-Reaktionen und neue Batteriesysteme (z.B. Lithium-Schwefel-Batterien) sowie Hybrid-Materialien sind weitere wichtige Forschungsschwerpunkte.

    Wir entwickeln Messmethoden und untersuchen Langzeitstabilität und Belastbarkeit, sondern setzen in situ Methoden ein um Energiespeichermechanismen zu erforschen. Daneben erforschen wir den Einsatz kostengünstiger Synthesewege und umweltverträgliche Elektrodenpräparation.

    Abb. 2 Elektrochemische Energiespeichermechanismen
    Abb. 2 Elektrochemische Energiespeichermechanismen
    Kapazitive Entsalzung (CDI)

    Die elektrische Doppelschicht kann neben der Energiespeicherung auch zur effizienten Wasseraufbereitung mittels kapazitiver Entionisierung (CDI) genutzt werden. CDI basiert 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 Kation und ein Anion elektrosorbiert. Durch den Einsatz von fließfähigen Elektroden (FCDI) kann der CDI Prozess kontinuierlich gestaltet werden und die Entwicklung von Hybrid-Materialien erlaubt die deutliche Steigerung der Entsalzungskapazität.

    Abb. 3 Kapazitive Entionisierung Abb. 3 Kapazitive Entionisierung

    Kohlenstoffnanomaterialien, Nanokohlenstoffe und Hybrid-Materialien

    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) und Novolak-abgeleitetem Kohlenstoff ist 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 Anwendungen zu ermöglichen.

    Abb. 4
    A) Kohlenstoff-Komposit-Ekektride, B) Kohlenstoffnanozwiebel mit Chinonen, C) Manganoxid auf Kohlenstoffnanofaser, D) Metallkarbid/Nanokohlenstoff Hybrid-Faser