Gruppenfoto der Arbeitsgruppe Energie-Materialien im INM; die Mitarbeitenden gehen gemeinsam durch einen Innenbereich auf die Kamera zu.

Energie-Materialien

Wir entwickeln elektrochemische Energiespeichermaterialien, innovative Wassertechnologien und umweltfreundliche Recyclingmethoden.

Die Forschungsabteilung für Energie-Materialien entwickelt Materialien, die Ionen und elektrische Ladung  effektiv über verschiedene Längenskalen transportieren und speichern. Unsere Materialien transportieren und speichern Ionen sowie elektrische Ladungen effektiv über verschiedene Längenskalen. Wir fokussieren auf nanoporöse Kohlenstoffe, Oxide, Carbide und Sulfide sowie deren Hybridisierung. Unser Workflow umfasst Materialsynthese, umfassende Materialcharakterisierung, elektrochemisches Benchmarking und In-situ-Analyse.

Ein Schwerpunkt liegt auf 2D-Materialien wie MXene und MBene, die in Superkondensatoren und Natrium- und Lithium-Ionen-Batterien der übernächsten Generation eingesetzt werden können. Diese Materialien ermöglichen auch elektrochemische Entsalzung und Ionenrückgewinnung aus Wasser.

Wir nutzen vielfältige Charakterisierungsmethoden für tiefgreifendes Verständnis und setzen auf digitale Techniken in der prädiktiven Materialforschung. Unsere Kooperationen reichen von internationaler Grundlagenforschung bis zu industriellen Projekten.

Prof. Dr. Volker Presser
Prof. Dr. Volker Presser
Leiter Energie-Materialien

Kontakt

B.Sc. Anna Seltmann
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-230
Laborsicherheitsbeauftrage
M.Sc. Zeyu Fu
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-368
Sekretärin
Sylvia de Graaf
Sekretärin
Telefon: +49 (0)681-9300-501
Mitarbeiter/innen
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-151
E-Mail: peter.burger@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-218
E-Mail: jean.ruthes@leibniz-inm.de
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-368
E-Mail: zeyu.fu@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-153
E-Mail: ayush.gadpayle@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Hilfskraft
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: matthias.haller@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: nicolas.huth@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-374
E-Mail: cansu.koek@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-268
E-Mail: chiraz.layouni@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-374
E-Mail: Thao.Le@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: mingren.liu@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: meenu.meenu@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-314
E-Mail: said.mondahchouo@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-402
E-Mail: burak.oelmez@leibniz-inm.de
Leiter Energie-Materialien
E-Mail: Volker.Presser@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-218
E-Mail: asia.sarycheva@leibniz-inm.de
Gastdoktorand/in
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: yassine.seffar@leibniz-inm.de
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: anna.seltmann@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-319
E-Mail: burcu.tan@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-365
E-Mail: Delvina.Tarimo@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-402
E-Mail: bin.wang@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-151
E-Mail: wensen.wang@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-268
E-Mail: liying.xue@leibniz-inm.de
Forschung

Materialsynthese

Wir entwickeln, analysieren und wenden elektrochemisch aktive Materialien an um elektro-integrativ elektrochemische Aktivität mit elektrischer Leitfähigkeit zu verbinden. Hierzu besonders gut geeignet sind insbesondere Hybridmaterialien mit nanoskaligen Eigenschaften. Wir nutzen Techniken wie Sol-Gel-Verfahren, Atomlagenabscheidung und Elektrospinnen, und charakterisieren unsere Materialien durch vielfältige Methoden, wie zum Beispiel Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktion und Schwingungsspektroskopie. Diese Aktivitäten werden durch in situ und in operando Methoden ergänzt, um Prozesse und Mechanismen zu quantifizieren. Unser Materialportfolio umfasst viele verschiedene Materialien mit Schwerpunkt auf Kohlenstoffmaterialien und 2D-Materialien wie MXene, sowie Metalloxide und Konversionsmaterialien.

Forscherin im Labor mit Schutzbrille, Handschuhen und Kittel gießt Flüssigkeit aus einem Kolben in einen Erlenmeyerkolben und beobachtet die Reaktion.
Forschende Person im Labor mit Handschuhen und Kittel justiert Bauteile und Kabel in einem geöffneten technischen Prüf- oder Messgerät.

Energiespeicher

Elektrochemische Energiespeicherung ist ein zentraler Baustein nachhaltiger Technologien zur Umwandlung und Rückgewinnung von Energie. Wir entwickeln Elektrodenmaterialien der nächsten und übernächsten Generation für Natrium- und Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Hybridsysteme. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf neuartige wie MXene, Hochentropiematerialien und nanoskalierten Hybridmaterialien. Wir setzen eine Vielzahl von Synthese- und Charakterisierungsmethoden ein, um Interkalations-, Konversions- und Legierungsreaktionen zu nutzen, die die Speicherkapazität und die Lade-/Entladeraten verbessern. Digitalisierung und Modellierung von Energiematerialien und Elektrodenherstellung ergänzen unser Forschungsportfolio, welches eine Bandbreite von Grundlagenforschung bis hin zu Industriepartnerschaften umfasst.

Wassertechnologien

Energiematerialien sind nicht nur interessant für traditionelle elektrochemische Energiespeicherung, sondern auch für neuartige Wassertechnologien. Durch Prozesse, ähnlich denen für Batterien und Superkondensatoren, also Redoxprozesse (Ioneninterkalation, Legierung und Konversionsreaktionen) und Ionenelektrosorption, ist es möglich, kontrolliert Ionen aufzunehmen und wieder abzugeben. Damit ist es möglich, selbst spezifische Ionen selektiv zu immobilisieren und zu extrahieren, ohne dass für diesen Prozess hoher Druck oder Filtermembranen benötigt werden. Stattdessen kommen elektrochemische Prozesse und ionenselektive Materialien zum Einsatz. Wir widmen uns insbesondere den Themen der Meerwasserentsalzung, Lithium-Ionen-Extraktion und die Entfernung von Schwermetallionen. Unsere Vision ist es, elektrochemische Prozesse für eine Reihe von Elementen und Verbindungen für energieeffiziente Entsalzung im Hinblick auf kreislauforientierte Materialnutzung, lokale Elementgewinnung und Schadstoffentfernung zu entwickeln.

Schematische Darstellung eines porösen Materials im Wasser, das gelöste Ionen aufnimmt; Na- und Cl-Ionen sind als Kugeln im Wasser dargestellt
Aus Mitteln des europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderte Projekte

Kontinuierliche elektrochemische Lithium-Gewinnung (eLiFlow)

Die Energiewende und die Elektromobilität lassen den Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien stark ansteigen. Gleichzeitig ist Lithium als Rohstoff geographisch begrenzt und klassische Gewinnungsverfahren, insbesondere der konventionelle Bergbau, sind mit hohem Energie- und Wasserverbrauch verbunden. Neben geothermischen Wässern rücken daher alternative, nachhaltigere Quellen und Prozesse in den Fokus – insbesondere Lithium-haltige Prozesswässer und hydrometallurgische Prozesslösungen aus dem Batterierecycling.

Im Projekt eLiFlow entwickeln wir am INM ein kontinuierliches elektrochemisches Verfahren, mit dem Lithium-Ionen hochselektiv aus wässrigen Medien abgetrennt und in einer konzentrierten Produktlösung bereitgestellt werden können. Kern der Technologie ist eine Redox-Fluss-Zelle mit Lithium-Ionen-selektiven keramischen und hybriden Membranen sowie zirkulierenden Redox-Elektrolyten. Dadurch lassen sich Lithium-Ionen ohne hohen Chemikalienverbrauch abtrennen.

Ziel des Projekts ist es, neue Lithium-Ionen-selektive Membranen zu entwickeln, umweltfreundlichere Redox-Elektrolyte auf Basis organischer Verbindungen zu etablieren und realitätsnahe Modelllösungen aus dem Batterierecycling sowie aus Lithium-haltigen Wässern zu untersuchen. Die eLiFlow-Zelle wird hinsichtlich Selektivität, Energiebedarf, Langzeitstabilität und Wirtschaftlichkeit optimiert. Die erwarteten Ergebnisse sollen die Grundlage für eine spätere Skalierung der Technologie und den Aufbau regionaler Wertschöpfungsketten für Lithium im Saarland legen.

Das Vorhaben „eLiFlow – Kontinuierliche elektrochemische Lithium-Gewinnung“ wird aus Mitteln der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Näheres zur Förderung durch die Europäische Union und den EFRE finden Sie hier:

https://www.saarland.de/DE/portale/eu-foerderportal/strukturfondsfoerderung/efre/efre20212027

Förderbanner mit Logos und Schriftzügen der Europäischen Union, des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung im Saarland sowie des saarländischen Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitales und Energie.

Publikationen

2020
Dual-Zinc Electrode Electrochemical Desalination

Dai, Jinhong | Wang, Jian | Hou, Xianhua | Ru, Qiang | He, Qingyu | Srimuk, Pattarachai | Presser, Volker | Chen, Fuming

DOI:

Abstract Continuous and low-energy desalination technologies are in high demand to enable sustainable water remediation. Our work introduces a continuous desalination process based on the redox reaction of a dual-zinc electrode. The system consists of two zinc foils as redox electrodes with flowing ZnCl2 electrolyte, concentrated and diluted salt streams with three anion- and cation-exchange membranes (AEM and CEM) separated configuration (AEM|CEM|AEM). If a constant current is applied, the negative zinc electrode is oxidized, and electrons are released to the external circuit, whereas the positive zinc electrode is reduced, causing salt removal in the dilution stream. The results showed that brackish water can be directly desalted to 380.6 ppm during a continuous batch-mode process. The energy consumption can be as low as 35.30 kJ mol−1 at a current density of 0.25 mA cm−2, which is comparable to reverse osmosis. In addition, the dual-zinc electrode electrochemical desalination demonstrates excellent rate performance, reversibility, and batch cyclability through electrode exchange regeneration. Our research provides a route for continuous low-energy desalination based on metal redox mediators.

DOI:

ChemSusChem ,
2020, 13 2792-2798.

OPEN ACCESS
Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials

Fleischmann, Simon | Mitchell, James B. | Wang, Ruocun | Zhan, Cheng | Jiang, De-en | Presser, Volker | Augustyn, Veronica

DOI:

There is an urgent global need for electrochemical energy storage that includes materials that can provide simultaneous high power and high energy density. One strategy to achieve this goal is with pseudocapacitive materials that take advantage of reversible surface or near-surface Faradaic reactions to store charge. This allows them to surpass the capacity limitations of electrical double-layer capacitors and the mass transfer limitations of batteries. The past decade has seen tremendous growth in the understanding of pseudocapacitance as well as materials that exhibit this phenomenon. The purpose of this Review is to examine the fundamental development of the concept of pseudocapacitance and how it came to prominence in electrochemical energy storage as well as to describe new classes of materials whose electrochemical energy storage behavior can be described as pseudocapacitive.

DOI:

Chemical Reviews ,
2020, 120 (14), 6738-6782.

Electrospun vanadium sulfide / carbon hybrid fibers obtained via one-step thermal sulfidation for use as lithium-ion battery electrodes

Husmann, Samantha | Budak, Öznil | Quade, Antje | Frank, Anna | Kruth, Angela | Scheu, Christina | Tolosa, Aura | Presser, Volker

DOI:

Many metal sulfides present a layered structure with large interlayer space and a high theoretical capacity for lithium-ion battery applications. Compared to other transition metal dichalcogenides, vanadium sulfides remain little explored. Vanadium sulfides are commonly obtained by hydrothermal synthesis, which requires further post-processing and coating with binder and carbon additives. Here, we introduce a route to obtain free-standing vanadium sulfide fiber mats with in-built carbon. The combination of electrospinning and thermal sulfidation with H2S produces homogeneous vanadium sulfide particles embedded in carbon fibers that provide electrical conductivity and mechanical resistance for the electrode. The fibers were tested as a binder-free lithium-ion battery cathode within different potential ranges to evaluate insertion and conversion mechanisms and contributions to the overall capacity. Between 1.2 V and 3.5 V vs. Li/Li+, lithium intercalation provides a specific capacity up to 138 mAh∙g−1 at 0.01 A g−1 with good rate handling. When operating in a larger potential range between 0.1 V and 3.0 V vs. Li/Li+, the contribution by conversion reactions increases the capacity to 790 mAh∙g−1, but there is a fast capacity fading.

DOI:

Journal of Power Sources ,
2020, 450 227674_1-11.

Ionic liquid-based synthesis of MXene

Husmann, Samantha | Budak, Öznil | Shim, Hwirim | Liang, Kun | Aslan, Mesut | Kruth, Angela | Quade, Antje | Naguib, Michael | Presser, Volker

DOI:

MAX phases are etched using an ionic liquid–water mixture to produce titanium carbide MXenes. The process avoids the use of any acid. Hydrolysis of the fluorine-containing ionic liquid leads to the selective removal of Al, while the ionic liquid is intercalated in-between the transition metal carbide layers.

DOI:

Chemical Communications ,
2020, 56 (75), 11082-11085.

Combining Battery-Type and Pseudocapacitive Charge Storage in Ag/Ti3C2Tx MXene Electrode for Capturing Chloride Ions with High Capacitance and Fast Ion Transport

Liang, Mingxing | Wang, Lei | Presser, Volker | Dai, Xiaohu | Yu, Fei | Ma, Jie

DOI:

Abstract The recent advances in chloride-ion capturing electrodes for capacitive deionization (CDI) are limited by the capacity, rate, and stability of desalination. This work introduces Ti3C2Tx/Ag synthesized via a facile oxidation-reduction method and then uses it as an anode for chloride-ion capture in CDI. Silver nanoparticles are formed successfully and uniformly distributed with the layered-structure of Ti3C2Tx. All Ti3C2Tx/Ag samples are hydrophilic, which is beneficial for water desalination. Ti3C2Tx/Ag samples with a low charge transfer resistance exhibit both pseudocapacitive and battery behaviors. Herein, the Ti3C2Tx/Ag electrode with a reaction time of 3 h exhibits excellent desalination performance with a capacity of 135 mg Cl− g−1 at 20 mA g−1 in a 10 × 10−3 m NaCl solution. Furthermore, low energy consumption of 0.42 kWh kg−1 Cl− and a desalination rate of 1.5 mg Cl− g−1 min−1 at 50 mA g−1 is achieved. The Ti3C2Tx/Ag system exhibits fast rate capability, high desalination capacity, low energy consumption, and excellent cyclability, which can be ascribed to the synergistic effect between the battery and pseudocapacitive behaviors of the Ti3C2Tx/Ag hybrid material. This work provides fundamental insight into the coupling of battery and pseudocapacitive behaviors during Cl− capture for electrochemical desalination.

DOI:

Advanced Science ,
2020, 7 2000621_1-9.

OPEN ACCESS
Ion Structure Transition Enhances Charging Dynamics in Subnanometer Pores

Mo, Tangming | Bi, Sheng | Zhang, Yuan | Presser, Volker | Wang, Xuehang | Gogotsi, Yury | Feng, Guang

DOI:

Using electrodes with subnanometer pores and ionic liquid electrolytes can improve the charge storage capacity at the expense of the charging rate. The fundamental understanding of the charging dynamics of nanoporous electrodes can help to avoid compromising the power density. In this work, we performed molecular dynamics simulations to reveal the charging mechanism of subnanometer pores in ionic liquids. Different from the traditional view that a smaller pore results in slower charging, a non-monotonic relation is found between the charging rate and pore size, in which the charging process is accelerated in some subnanometer pores. Our analysis uncovers that the mechanism of the charging enhancement can be attributed to the transition of in-pore ion structure.

DOI:

ACS Nano ,
2020, 14 (2), 2395-2403.

Choosing the right carbon additive is of vital importance for high-performance Sb-based Na-ion batteries

Pfeifer, Kristina | Arnold, Stefanie | Budak, Öznil | Luo, Xianlin | Presser, Volker | Ehrenberg, Helmut | Dsoke, Sonia

DOI:

Electrodes based on alloying reactions for sodium-ion batteries (NIB) offer high specific capacity but require bespoken electrode material design to enable high performance stability. This work addresses that issue by systematically exploring the impact of carbon properties on antimony/carbon composite electrodes for NIBs. Since the Sb surface is covered by an insulating oxide layer, carbon additives are crucial for the percolation and electrochemical activity of Sb based anodes. Instead of using complex hybridization strategies, the ability of mechanical mixing to yield stable high-performance Sb/C sodium-ion battery (NIB) electrodes is shown. This is only possible by considering the physical, chemical, and structural features of the carbon phase. A comparison of carbon nanohorns, onion-like carbon, carbon black, and graphite as conductive additives is given in this work. The best performance is not triggered by the highest or lowest surface area, and not by highest or lowest heteroatom content, but by the best ability to homogenously distribute within the Sb matrix. The latter provides an optimum interaction between carbon and Sb and is best enabled by onion-like carbon. A remarkable rate performance is attained, electrode cracking caused by volume expansion is successfully prevented, and the homogeneity of the solid/electrolyte interphase is significantly improved as a result of it. With this composite electrode, a reversible capacity of 490 mA h g−1 at 0.1 A g−1 and even 300 mA g−1 at 8 A g−1 is obtained. Additionally, high stability with a capacity retention of 73% over 100 cycles is achieved at charge/discharge rates of 0.2 A g−1.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A ,
2020, 8 (12), 6092-6104.

Persistent and reversible solid iodine electrodeposition in nanoporous carbons

Prehal, Christian | Fitzek, Harald | Kothleitner, Gerald | Presser, Volker | Gollas, Bernhard | Freunberger, Stefan A. | Abbas, Qamar

DOI:

Aqueous iodine based electrochemical energy storage is considered a potential candidate to improve sustainability and performance of current battery and supercapacitor technology. It harnesses the redox activity of iodide, iodine, and polyiodide species in the confined geometry of nanoporous carbon electrodes. However, current descriptions of the electrochemical reaction mechanism to interconvert these species are elusive. Here we show that electrochemical oxidation of iodide in nanoporous carbons forms persistent solid iodine deposits. Confinement slows down dissolution into triiodide and pentaiodide, responsible for otherwise significant self-discharge via shuttling. The main tools for these insights are in situ Raman spectroscopy and in situ small and wide-angle X-ray scattering (in situ SAXS/WAXS). In situ Raman confirms the reversible formation of triiodide and pentaiodide. In situ SAXS/WAXS indicates remarkable amounts of solid iodine deposited in the carbon nanopores. Combined with stochastic modeling, in situ SAXS allows quantifying the solid iodine volume fraction and visualizing the iodine structure on 3D lattice models at the sub-nanometer scale. Based on the derived mechanism, we demonstrate strategies for improved iodine pore filling capacity and prevention of self-discharge, applicable to hybrid supercapacitors and batteries.

DOI:

Nature Communications ,
2020, 11 (1), 4838.

OPEN ACCESS
Self-Sustained Visible-Light-Driven Electrochemical Redox Desalination

Ramalingam, Karthick | Liang, Mengjun | Pyae, Ni Lar Win | Aung, Su Htike | Oo, Than Zaw | Srimuk, Pattarachai | Ma, Jinxing | Presser, Volker | Chen, Fuming | Waite, T. David

DOI:

The freshwater scarcity and increasing energy demand are two challenging global issues. Herein, we propose a new route for desalination, self-sustained visible-light-driven electrochemical redox desalination. We propose a novel device architecture involving internal integration of a quasi-solid-state dye-sensitized solar cell and continuous redox-flow desalination units with a bifunctional platinized-graphite-paper electrode. Both the solar cell and redox-flow desalination units are integrated using the bifunctional electrode with one side facing the solar cell operating as a positive electrode and the other side facing the redox-flow desalination unit operating as a negative electrode. The solar cell contains a gel-based tri-iodide/iodide redox couple sandwiched between an N719 dye-modified photoanode and cathode. In contrast, the redox-flow desalination consists of re-circulating ferro/ferricyanide redox couple sandwiched between the anode and cathode with two salt streams located between these electrodes. The performances of bifunctional electrodes in both redox couples were thoroughly investigated by electrochemical characterization. The brackish feed can be continuously desalted to the freshwater level by utilizing visible light illumination. As a device, this architecture combines energy conversion and water desalination. This concept bypasses the need for electrical energy consumption for desalination, which provides a novel structural design using photodesalination to facilitate the development of self-sustained solar desalination technologies.

DOI:

ACS Applied Materials & Interfaces ,
2020, 12 (29), 32788-32796.

Hybrid Anodes of Lithium Titanium Oxide and Carbon Onions for Lithium-Ion and Sodium-Ion Energy Storage

Shim, Hwirim | Arnold, Stefanie | Budak, Öznil | Ulbricht, Maike | Srimuk, Pattarachai | Presser, Volker

DOI:

This study demonstrates the hybridization of Li4Ti5O12 (LTO) with different types of carbon onions synthesized from nanodiamonds. The carbon onions mixed with a Li4Ti5Ox precursor for sol–gel synthesis. These hybrid materials are tested as anodes for both lithium-ion battery (LIB) and sodium-ion battery (SIB). Electrochemical characterization for LIB application is carried out using 1 m LiPF6 in a 1:1 (by volume) ethylene carbonate and dimethyl carbonate as the electrolyte. For lithium-ion intercalation, LTO hybridized with carbon onions from the inert-gas route achieves an excellent electrochemical performance of 188 mAh g−1 at 10 mA g−1, which maintains 100 mAh g−1 at 1 A g−1 and has a cycling stability of 96% of initial capacity after 400 cycles, thereby outperforming both neat LTO and LTO with onions obtained via vacuum treatment. The performance of the best-performing hybrid material (LTO with carbon onions from argon annealing) in an SIB is tested, using 1 m NaClO4 in ethylene/dimethyl/fluoroethylene carbonate (19:19:2 by mass) as the electrolyte. A maximum capacity of 102 mAh g−1 for the SIB system is obtained, with a capacity retention of 96% after 500 cycles.

DOI:

Energy Technology ,
2020, 8 2000679.

OPEN ACCESS