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.

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Mitarbeiter/innen







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.


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.

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

Publikationen
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.
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.
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.
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.
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 %).
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.
Porada, Slawomir | Feng, Guang | Suss, Matthew E. | Presser, Volker
DOI:
Capacitive deionization (CDI) is an emerging technology for the energy-efficient removal of dissolved ions from aqueous solutions. Expanding this technology to non-aqueous media, we present an experimental characterization of a pair of porous carbon electrodes towards electrosorption of dissolved ions in propylene carbonate. We demonstrate that application of CDI technology for treatment of an organic solution with an electrochemical stability window beyond 1.2 V allows for a higher salt removal capacity and higher charge efficiency as compared to CDI applied for treatment of aqueous electrolytes. Further, we show that using conductivity measurements of the stream emerging from the CDI cell combined with an equilibrium electric double-layer structure model, we can gain insights into charge compensation mechanisms and ion distribution in carbon nanopores.
Shpigel, Netanel | Levi, Mikhael D. | Sigalov, Sergey | Aurbach, Doron | Daikhin, Leonid | Presser, Volker
DOI:
Multiharmonic analysis by electrochemical quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring (EQCM-D) is introduced as an excellent tool for quantitative studying electrosorption of ions from aqueous solution in mesoporous (BP-880) or mixed micro-mesoporous (BP-2000) carbon electrodes. Finding the optimal conditions for gravimetric analysis of the ionic content in the charged carbon electrodes, we propose a novel approach to modeling the charge-dependent gravimetric characteristics by incorporation of Gouy-Chapman-Stern electric double layer model for ions electrosorption into meso- and micro-mesoporous carbon electrodes. All three parameters of the gravimetric equation evaluated by fitting it to the experimental mass changes curves were validated using supplementary nitrogen gas sorption analysis and complementing atomic force microscopy. Important overlap between gravimetric EQCM-D analysis of the ionic content of porous carbon electrodes and the classical capacitive deionization models has been established. The necessity and usefulness of non-gravimetric EQCM-D characterizations of complex carbon architectures, providing insight into their unique viscoelastic behavior and porous structure changes, have been discussed in detail.
Shpigel, Netanel | Levi, Mikhael D. | Sigalov, Sergey | Girshevitz, Olga | Aurbach, Doron | Daikhin, Leonid | Pikma, Piret | Marandi, Margus | Jänes, Alar | Lust, Enn | Jäckel, Nicolas | Presser, Volker
DOI:
A primary atomic-scale effect accompanying Li-ion insertion into rechargeable battery electrodes is a significant intercalation-induced change of the unit cell volume of the crystalline material. This generates a variety of secondary multiscale dimensional changes and causes a deterioration in the energy storage performance stability. Although traditional in situ height-sensing techniques (atomic force microscopy or electrochemical dilatometry) are able to sense electrode thickness changes at a nanometre scale, they are much less informative concerning intercalation-induced changes of the porous electrode structure at a mesoscopic scale. Based on a electrochemical quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring on multiple overtone orders, herein we introduce an in situ hydrodynamic spectroscopic method for porous electrode structure characterization. This new method will enable future developments and applications in the fields of battery and supercapacitor research, especially for diagnostics of viscoelastic properties of binders for composite electrodes and probing the micromechanical stability of their internal electrode porous structure and interfaces.
Srimuk, Pattarachai | Kaasik, Friedrich | Kruner, Benjamin | Tolosa, Aura | Fleischmann, Simon | Jackel, Nicolas | Tekeli, Mehmet C. | Aslan, Mesut | Suss, Matthew E. | 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.







