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
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
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Stipendiat
Telefon: +49 (0)681-9300-365
E-Mail: yassine.seffar@leibniz-inm.de
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: anna.seltmann@leibniz-inm.de
Praktikantin
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E-Mail: selin.sensoy@leibniz-inm.de
Doktorandin
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E-Mail: burcu.tan@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-365
E-Mail: Delvina.Tarimo@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
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E-Mail: bin.wang@leibniz-inm.de
Stipendiat
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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

2016
Electrochemical in Situ Tracking of Volumetric Changes in Two-Dimensional Metal Carbides (MXenes) in Ionic Liquids

Jäckel, Nicolas | Krüner, Benjamin | Van Aken, Katherine L. | Alhabeb, Mohamed | Anasori, Babak | Kaasik, Friedrich | Gogotsi, Yury | Presser, Volker

DOI:

In this proof-of-concept study, we introduce and demonstrate MXene as a novel type of intercalation electrode for desalination via capacitive deionization (CDI). Traditional CDI cells employ nanoporous carbon electrodes with significant pore volume to achieve a large desalination capacity via ion electrosorption. By contrast, MXene stores charge by ion intercalation between the sheets of its two-dimensional nanolamellar structure. By this virtue, it behaves as an ideal pseudocapacitor, that is, showing capacitive electric response while intercalating both anions and cations. We synthesized Ti3C2-MXene by the conventional process of etching ternary titanium aluminum carbide i.e., the MAX phase (Ti3AlC2) with hydrofluoric acid. The MXene material was cast directly onto the porous separator of the CDI cell without added binder, and exhibited very stable performance over 30 CDI cycles with an average salt adsorption capacity of 13 ± 2 mg g−1.

DOI:

ACS Applied Materials & Interfaces ,
2016, 8 (47), 32089-32093.

Anomalous or regular capacitance? The influence of pore size dispersity on double-layer formation

Jäckel, Nicolas | Rodner, Marius | Schreiber, Anna | Jeongwook, J. | Zeiger, Marco | Aslan, Mesut | Weingarth, Daniel | Presser, Volker

DOI:

The energy storage mechanism of electric double-layer capacitors is governed by ion electrosorption at the electrode surface. This process requires high surface area electrodes, typically highly porous carbons. In common organic electrolytes, bare ion sizes are below one nanometer but they are larger when we consider their solvation shell. In contrast, ionic liquid electrolytes are free of solvent molecules, but cation-anion coordination requires special consideration. By matching pore size and ion size, two seemingly conflicting views have emerged: either an increase in specific capacitance with smaller pore size or a constant capacitance contribution of all micro- and mesopores. In our work, we revisit this issue by using a comprehensive set of electrochemical data and a pore size incremental analysis to identify the influence of certain ranges in the pore size distribution to the ion electrosorption capacity. We see a difference in solvation of ions in organic electrolytes depending on the applied voltage and a cation-anion interaction of ionic liquids in nanometer sized pores.

DOI:

Journal of Power Sources ,
2016, 326 660-671.

Increase in Capacitance by Subnanometer Pores in Carbon

Jäckel, Nicolas | Simon, Patrice | Gogotsi, Yury | Presser, Volker

DOI:

DOI:

ACS Energy Letters ,
2016, 1 (6), 1262-1265.

Performance evaluation of conductive additives for activated carbon supercapacitors in organic electrolyte

Jäckel, Nicolas | Weingarth, Daniel | Schreiber, Anna | Krüner, Benjamin | Zeiger, Marco | Tolosa, Aura | Aslan, Mesut | Presser, Volker

DOI:

In this study, we investigate two different activated carbons and four conductive additive materials, all produced in industrial scale from commercial suppliers. The two activated carbons differed in porosity: one with a narrow microporous pore size distribution, the other showed a broader micro-mesoporous pore structure. Electrochemical benchmarking was carried out in one molar tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile. Comprehensive structural, chemical, and electrical characterization was carried out by varied techniques. This way, we correlate the electrochemical performance with composite electrode properties, such as surface area, pore volume, electrical conductivity, and mass loading for different admixtures of conductive additives to activated carbon. The electrochemical rate handling (from 0.1 A g−1 to 10 A g−1) and long-time stability testing via voltage floating (100 h at 2.7 V cell voltage) show the influence of functional surface groups on carbon materials and the role of percolation of additive particles.

DOI:

Electrochimica Acta ,
2016, 191 284-298.

Sub-micrometer novolac-derived carbon beads for high performance supercapacitors and redox electrolyte energy storage

Krüner, Benjamin | Lee, Juhan | Jäckel, Nicolas | Tolosa, Aura | Presser, Volker

DOI:

Carbon beads with sub-micrometer diameter were produced with a self-emulsifying novolac-ethanol-water system. A physical activation with CO2 was carried out to create a high microporosity with a specific surface area varying from 771 (DFT) to 2237 m2/g (DFT) and a total pore volume from 0.28 to 1.71 cm3/g. The carbon particles conserve their spherical shape after the thermal treatments. The controllable porosity of the carbon spheres is attractive for the application in electrochemical double layer capacitors. The electrochemical characterization was carried out in aqueous 1 M Na2SO4 (127 F/g) and organic 1 M tetraethylammonium tetrafluoroborate in propylene carbonate (123 F/g). Furthermore, an aqueous redox electrolyte (6 M KI) was tested with the highly porous carbon and a specific energy of 33 W·h/kg (equivalent to 493 F/g) was obtained. In addition to a high specific capacitance, the carbon beads also provide an excellent rate performance at high current and potential in all tested electrolytes, which leads to a high specific power (>11 kW/kg) with an electrode thickness of ca. 200 ?m.

DOI:

ACS Applied Materials & Interfaces ,
2016, 8 (14), 9104-9115.

High Performance Hybrid Energy Storage with Potassium Ferricyanide Redox Electrolyte

Lee, Juhan | Choudhury, Soumyadip | Weingarth, Daniel | Kim, Daekyu | Presser, Volker

DOI:

We demonstrate stable hybrid electrochemical energy storage performance of a redox-active electrolyte, namely potassium ferricyanide in aqueous media in a supercapacitor-like setup. Challenging issues associated with such a system are a large leakage current and high self-discharge, both stemming from ion redox shuttling through the separator. The latter is effectively eliminated when using an ion exchange membrane instead of a porous separator. Other critical factors toward the optimization of a redox-active electrolyte system, especially electrolyte concentration and volume of electrolyte, have been studied by electrochemical methods. Finally, excellent long-term stability is demonstrated up to 10 000 charge/discharge cycles at 1.2 and 1.8 V, with a broad maximum stability window of up to 1.8 V cell voltage as determined via cyclic voltammetry. An energy capacity of 28.3 Wh/kg or 11.4 Wh/L has been obtained from such cells, taking the nonlinearity of the charge–discharge profile into account. The power performance of our cell has been determined to be 7.1 kW/kg (ca. 2.9 kW/L or 1.2 kW/m2). These ratings are higher compared to the same cell operated in aqueous sodium sulfate. This hybrid electrochemical energy storage system is believed to find a strong foothold in future advanced energy storage applications.

DOI:

ACS Applied Materials & Interfaces ,
2016, 8 23676-23687, S1-S7.

Porous carbon as a quasi-reference electrode in aqueous electrolytes

Lee, Juhan | Jäckel, Nicolas | Kim, D. | Widmaier, M. | Sathyamoorthi, S. | Srimuk, Pattarachai | Kim, C. | Fleischmann, Simon | Zeiger, Marco | Presser, Volker

DOI:

This study examines the performance of porous carbon as quasi-reference electrode (QRE) in aqueous media and evaluates their suitability. The performance of activated carbon and carbon black as QRE was investigated in acidic (H2SO4) and neutral (Na2SO4, NaCl, Li2SO4) solutions and compared to platinum metal wire and Ag/AgCl reference electrode. In neutral and acidic electrolyte, the porous carbon based QREs exhibited a notable stability and reliability with low level of potential drift (1 mV per day) and potential deviation of less than 10 mV. These results can contribute to the further development in porous carbon based QREs leading to novel opportunities in electrochemical analysis.

DOI:

Electrochimica Acta ,
2016, 222 1800-1805.

Tin/vanadium redox electrolyte for battery-like energy storage capacity combined with supercapacitor-like power handling

Lee, Juhan | Krüner, Benjamin | Tolosa, Aura | Sathyamoorthi, Sethuraman | Kim, Daekyu | Choudhury, Soumyadip | Seo, Kum-Hee | Presser, Volker

DOI:

We introduce a high performance hybrid electrochemical energy storage system based on an aqueous electrolyte containing tin sulfate (SnSO4) and vanadyl sulfate (VOSO4) with nanoporous activated carbon. The energy storage mechanism of this system benefits from the unique synergy of concurrent electric double-layer formation, reversible tin redox reactions, and three-step redox reactions of vanadium. The hybrid system showed excellent electrochemical properties such as a promising energy capacity (ca. 75 W h kg-1, 30 W h L-1) and a maximum power of up to 1.5 kW kg-1 (600 W L-1, 250 W m-2), exhibiting capacitor-like galvanostatic cycling stability and a low level of self-discharging rate.

DOI:

Energy & Environmental Science ,
2016, 9 (11), 3392-3398.

OPEN ACCESS
Use of surfactants for continuous operation of aqueous electrochemical flow capacitors

Lee, Juhan | Weingarth, Daniel | Grobelsek, Ingrid | Presser, Volker

DOI:

The electrochemical flow capacitor (EFC) is a novel design for supercapacitor technologies. To avoid misinterpretation arising from non-flow analytical methods, we have investigated an EFC system under continuous flow conditions. Several different surfactants were introduced as modifiers to activated carbon in an aqueous electrolyte with sodium sulfate (Na2SO4). A significant reduction in viscosity was found by adding sodium lignosulfonate, and as a consequence, a maximum volumetric capacitance of 26 F cm−3 was achieved for the EFC system. A steady performance of the EFC system was observed for 200 h in terms of the specific capacitance (90±5 F g−1); however, degradation in the power performance was observed. Membrane fouling was confirmed to be the major contributor to the power degradation, and a cleaning process using water was developed to partially restore the initial performance (≈70 %).

DOI:

Energy Technology ,
2016, 4 (1), 75-84.

Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring (EQCM-D) for in-situ studies of electrodes for supercapacitors and batteries: A mini-review

Levi, Mikhael D. | Daikhin, Leonid | Aurbach, Doron | Presser, Volker

DOI:

Herein the application of a recently introduced new method of tracking in-situ the intercalation-induced deformations of supercapacitor and Li-battery electrodes is reviewed. The method is based on the use of multi-harmonic electrochemical quartz microbalance with dissipation monitoring, EQCM-D (in-situ hydrodynamic spectroscopy) which enables a permanent control of the electrodes' state-of-health by probing their mechanical properties. The potential-dependent frequency and resonance width changes are fitted to a chosen hydrodynamic admittance model allowing thus quantification of the electrode deformations under different charging conditions. Intercalation of different alkaline metal cations into layered MXene electrode serves as a readily understandable working example of quantifying such electrodes deformations. Further method developments including in-situ viscoelastic characterization of composite porous electrodes are envisaged in the near future.

DOI:

Electrochemistry Communications ,
2016, 67 16-21.