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)681-9300-365
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
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
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
Master-Student/in
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: matthew.lowson@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-314
E-Mail: said.mondahchouo@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Hilfskraft
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: maximilian.mueller@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
Studentische Hilfskraft
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Stipendiat
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Technische Mitarbeiterin
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Praktikantin
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Doktorandin
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Wissenschaftlicher Mitarbeiter
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E-Mail: bin.wang@leibniz-inm.de
Stipendiat
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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

2019
Vanadium (III) Oxide/Carbon Core/Shell Hybrids as an Anode for Lithium-Ion Batteries

Budak, Öznil | Srimuk, Pattarachai | Tolosa, Aura | Fleischmann, Simon | Lee, Juhan | Hieke, Stefan W. | Frank, Anna | Scheu, Christina | Presser, Volker

DOI:

Abstract We present a facile two-step synthesis of vanadium (III) oxide/carbon core/shell hybrid material for application as lithium-ion battery electrode. The first step is a thermal treatment of a mixture of vanadium carbide (VC) and NiCl2 ⋅ 6H2O at 700 °C in an inert gas atmosphere. Elemental nickel obtained from decomposing NiCl2 ⋅ 6H2O served as a catalyst to trigger the local formation of graphitic carbon. In a second step, residual nickel was removed by washing the material in aqueous HCl. By replacing NiCl2 ⋅ 6H2O with anhydrous NiCl2, we obtained a hybrid material of vanadium carbide-derived carbon and a vanadium carbide core. Material characterization revealed a needle-like morphology of the rhombohedral V2O3 along with two carbon species with a different degree of graphitic ordering. We varied the NiCl2 ⋅ 6H2O-to-VC ratio, and the optimized material yielded a capacity of 110 mAh ⋅ g−1 at 2.5 A ⋅ g−1 which increased to 225 mAh ⋅ g−1 at 0.1 A ⋅ g−1 after 500 cycles in the potential range of 0.01-3.00 V vs. Li/Li+. This enhanced performance is in stark contrast to the loss of lithium uptake capacity when using commercially available V2O3 mixed with carbon black, where 93 % of the initial capacity was lost after 50 cycles.

DOI:

Batteries & Supercaps,
2019, 2, 74-82.

Understanding Interlayer Deprotonation of Hydrogen Titanium Oxide for High-Power Electrochemical Energy Storage

Fleischmann, Simon | Pfeifer, Kristina | Widmaier, Mathias | Shim, Hwirim | Budak, Öznil | Presser, Volker

DOI:

Negative electrode materials that possess fast lithium insertion kinetics are in high demand for high power lithium-ion batteries and hybrid supercapacitor applications. In this work, hydrogen titanium oxides are synthesized by a proton exchange reaction with sodium titanium oxide, resulting in the H2Ti3O7 phase. We show that a gradual water release in four steps yields intermediate phases of hydrogen titanate with different degrees of interlayer protonation. In addition, a synthesis route using zinc nitrate is explored yielding H2Ti3O7 with a high rutile content. This material dehydrates already at a lower temperature, resulting in a lamellar rutile titania phase. The hydrogen titanate materials with partially protonated interlayers are tested as negative electrodes in a lithium-ion battery and hybrid supercapacitor setup, showing an improved performance compared to the fully protonated phases. The performance in half-cells reaches around 168 mAh/g, with high retention of 42 mAh/g at 10 A/g. This translates to an energy of 88 Wh/kg for a full-cell with a maximum power of 9.2 kW/kg and high cycling stability over 1000 cycles.

DOI:

ACS Applied Energy Materials,
2019, 2 (5), 3633-3641.

High voltage asymmetric hybrid supercapacitors using lithium- and sodium-containing ionic liquids

Fleischmann, Simon | Widmaier, Mathias | Schreiber, Anna | Shim, Hwirim | Stiemke, Frank M. | Schubert, Thomas J. S. | Presser, Volker

DOI:

Asymmetric hybrid supercapacitors (AHSCs) combine high specific energy and power by merging two electrodes with capacitive and Faradaic charge storage mechanisms. In this study, we introduce AHSC cells that use lithium titanate and activated carbon electrodes in an alkali-ion containing ionic liquid electrolyte. With this cell concept, it is possible to operate the activated carbon electrode in a higher potential window. Consequently, higher cell voltages and a reduced carbon electrode mass can be used, resulting in significantly increased energy compared to aqueous or organic electrolytes. We demonstrate the feasibility of this cell concept for both lithium- and sodium-ion intercalation, underlining the general validity of our approach. Our prototype cells already reach high specific energies of 100 W h/kg, while maintaining a specific power of up to 2 kW/kg and cycling stability of over 1500 cycles. Owing to the IL electrolyte, stable cycling of an AHSC at 80 °C is demonstrated for the first time.

DOI:

Energy Storage Materials,
2019, 16, 391-399.

High Electrochemical Seawater Desalination Performance Enabled by an Iodide Redox Electrolyte Paired with a Sodium Superionic Conductor

Lee, Juhan | Srimuk, Pattarachai | Aslan, Mesut | Zornitta, Rafael L. | Mehdi, B. Layla | Presser, Volker

DOI:

In recent years, a wealth of new desalination technologies based on reversible electrochemical redox reactions has emerged. Among them, the use of redox-active electrolytes is highly attractive due to the high production rate and energy efficiency. Yet, these technologies suffer from the imperfect permselectivity of polymer membranes. Our present work demonstrates the promising desalination performance of a sodium superionic conductor (NASICON) for selective removal of sodium against iodide in a half-cell configuration consisting of an activated carbon electrode in aqueous 600 mM NaI solution. For feedwater with aqueous 600 mM NaCl, the desalination cell exhibited a stable performance over a month with more than 400 operation cycles with the aid of high sodium permselectivity of the NASICON membrane against iodide (99.9–100%). The cell exhibited a maximum sodium removal capacity of 69 ± 4 mg/g (equivalent to the NaCl salt uptake capacity of 87 ± 4 mg/g) with a charge efficiency of 81 ± 3%.

DOI:

ACS Sustainable Chemistry & Engineering,
2019, 7 (11), 10132-10142.

Redox-electrolytes for non-flow electrochemical energy storage: A critical review and best practice

Lee, Juhan | Srimuk, Pattarachai | Fleischmann, Simon | Su, Xiao | Hatton, T. Alan | Presser, Volker

DOI:

Over recent decades, a new type of electric energy storage system has emerged with the principle that the electric charge can be stored not only at the interface between the electrode and the electrolyte but also in the bulk electrolyte by redox activities of the electrolyte itself. Those redox electrolytes are promising for non-flow hybrid energy storage systems, or redox electrolyte-aided hybrid energy storage (REHES) systems; particularly, when they are combined with highly porous carbon electrodes. In this review paper, critical design considerations for the REHES systems are discussed as well as the effective electrochemical characterization techniques. Appropriate evaluation of the electrochemical performance is discussed thoroughly, including advanced analytical techniques for the determination of the electrochemical stability of the redox electrolytes and self-discharge rate. Additionally, critical summary tables for the recent progress on REHES systems are provided. Furthermore, the unique synergistic combination of porous carbon materials and redox electrolytes is introduced in terms of the diffusion, adsorption, and electrochemical kinetics modulating energy storage in REHES systems.

DOI:

Progress in Materials Science,
2019, 101, 46-89.

OPEN ACCESS
Sodium ion removal by hydrated vanadyl phosphate for electrochemical water desalination

Lee, Juhan | Srimuk, Pattarachai | Zwingelstein, Rose | Zornitta, Rafael Linzmeyer | Choi, Jaehoon | Kim, Choonsoo | Presser, Volker

DOI:

In recent years, electrochemical water desalination with battery electrode materials has emerged as a promising solution for energy-efficient salt-water desalination. Here, we report the promising desalination performance of a hydrothermally synthesized vanadyl phosphate material (mixed phases of sodium vanadyl phosphate dehydrate and vanadyl hydrogen phosphate hemihydrate) as a new electrode material. We observed robust stability of the synthesized electrode material over 280 cycles during desalination operation for 100 mM NaCl feedwater which was continuously flowing along the electrode material. During the first 100 cycles, the charge storage capacity was enhanced by 47%. This enhancement seems to be caused by a continuous conversion to vanadyl phosphate monohydrate from initial phases according to the post-mortem analysis by X-ray diffraction and infrared spectroscopy. The maximum sodium uptake capacity of the vanadyl phosphate electrode was 24.3 mg g−1 with charge efficiency of around 85%. We found no detectable level of contamination by phosphor nor vanadium from the treated water stream indicating that our synthesized electrode is also environmentally safe for water desalination applications.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A,
2019, 7 (8), 4175-4184.

Comparing pore structure models of nanoporous carbons obtained from small angle X-ray scattering and gas adsorption

Prehal, Christian | Grätz, S. | Krüner, Benjamin | Thommes, Matthias | Borchardt, Lars | Presser, Volker | Paris, Oskar

DOI:

The performance of nanoporous carbons, used for hydrogen storage, ionic charge storage, or selective gas separation, is strongly determined by their pore shape and size distribution. Two frequently used experimental techniques to characterize the nanopore structure of carbons are gas adsorption combined with quenched-solid density functional theory and small angle X-ray scattering. However, neither of the two techniques can unambiguously derive a valid pore model for disordered pore structures without making assumptions. Here, we quantitatively compare pore size distributions from X-ray scattering and gas adsorption data. We generate three-dimensional pore models of activated carbons using small angle scattering and the concept of Gaussian Random Fields. These pore models are used to generate pore size distributions inherently containing a slit-pore assumption, making them comparable to pore size distributions obtained from gas adsorption analysis. This is realized by probing the effective adsorption potential via sampling of the three-dimensional pore structure with a probing adsorbate and calculating a “Degree of Confinement” parameter accounting for local pore geometry effects. We also generate pore size distributions with an alternative definition of pore size and discuss intricacies of gas adsorption results, such as the general tendency to underestimate the pore size dispersity in disordered microporous carbons.

DOI:

Carbon,
2019, 152, 416-423.

Reversibly compressible and freestanding monolithic carbon spherogels

Salihovic, Miralem | Zickler, Gregor A. | Fritz-Popovski, Gerhard | Ulbricht, Maike | Paris, Oskar | Hüsing, Nicola | Presser, Volker | Elsaesser, Michael S.

DOI:

We present a versatile strategy to tailor the nanostructure of monolithic carbon aerogels. By use of an aqueous colloidal solution of polystyrene in the sol-gel processing of resorcinol-formaldehyde gels, we can prepare, after supercritical drying and successive carbonization, freestanding monolithic carbon aerogels, solely composed of interconnected and uniformly sized hollow spheres, which we name carbon spherogels. Each sphere is enclosed by a microporous carbon wall whose thickness can be adjusted by the polystyrene concentration, which affects the pore texture as well as the mechanical properties of the aerogel monolith. In this study, we used monodisperse polystyrene spheres of approximately 250 nm diameter, which result in an inner diameter of the final hollow carbon spheres of approximately 200 ± 5 nm due to shrinkage during the carbonization process. The excellent homogeneity of the samples, as well as uniform sphere geometries, are confirmed by small- and angle X-ray scattering. The presence of macropores between the hollow spheres creates a monolithic network with the benefit of being reversibly compressible up to 10% linear strain without destruction. Electrochemical tests demonstrate the applicability of ground and CO2 activated carbon spherogels as electrode materials.

DOI:

Carbon,
2019, 153, 189-195.

OPEN ACCESS
Nanosized titanium niobium oxide/carbon electrodes for lithium-ion energy storage applications

Shim, Hwirim | Lim, Eunho | Fleischmann, Simon | Quade, Antje | Tolosa, Aura | Presser, Volker

DOI:

High demand for safer and more stable lithium-ion batteries brings up the challenge for finding better electrode materials. In this work, we study the functionalities of titanium niobium oxide (TNO)/carbon hybrid materials using carbon onions (OLC) and carbon nanohorns (NS), which are synthesized by well-controlled sol-gel chemistry, for anodes in lithium-ion batteries. We used two different molar ratios of titanium to niobium oxide (1:2 and 1:5), and we compared the TNO-OLC and TNO-NS hybrid materials to conventional electrodes using physically admixed carbon black. TNO-OLC-1:2 and TNO-OLC-1:5 nanohybrid materials displayed good electrochemical performance, with initial capacity values of 284 mAh/g and 290 mAh/g, respectively, normalized to the metal oxide mass. Moreover, they maintained 68% (TNO-OLC-1:2) and 69% (TNO-OLC-1:5) of the initial capacity at 1 A/g, outperforming the carbon nanohorns hybridized and composited electrode which maintained less than 50%. The long-term cycling stability of 800 cycles presents good capacity retention of 73% (TNO-OLC-1:2) and 76% (TNO-OLC-1:5), while the TNO-NS-1:2 hybrid material yields better capacity retention of 90% despite its low capacity. Our study demonstrates that the combination of TNO with appropriate carbon substrates enables good electrochemical performance but requires careful evaluation of the interplay of crystal structure, phase content, and particle morphology.

DOI:

Sustainable Energy & Fuels,
2019, 3, 1776–1789.

Low voltage operation of a silver/silver chloride battery with high desalination capacity in seawater

Srimuk, Pattarachai | Husmann, Samantha | Presser, Volker

DOI:

Technologies for the effective and energy efficient removal of salt from saline media for advanced water remediation are in high demand. Capacitive deionization using carbon electrodes is limited to highly diluted salt water. Our work demonstrates the high desalination performance of the silver/silver chloride conversion reaction by a chloride ion rocking-chair desalination mechanism. Silver nanoparticles are used as positive electrodes while their chlorination into AgCl particles produces the negative electrode in such a combination that enables a very low cell voltage of only Δ200 mV. We used a chloride-ion desalination cell with two flow channels separated by a polymeric cation exchange membrane. The optimized electrode paring between Ag and AgCl achieves a low energy consumption of 2.5 kT per ion when performing treatment with highly saline feed (600 mM NaCl). The cell affords a stable desalination capacity of 115 mg g−1 at a charge efficiency of 98%. This performance aligns with a charge capacity of 110 mA h g−1.

DOI:

RSC Advances,
2019, 9 (26), 14849-14858.

OPEN ACCESS