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
E-Mail: louisa.schoendorf@leibniz-inm.de
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
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: selin.sensoy@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
Stipendiat
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

2014
One-step synthesis of nanocrystalline transition metal oxides on thin sheets of disordered graphitic carbon by oxidation of MXenes

Naguib, Michael | Mashtalir, Olha | Lukatskaya, Maria R. | Dyatkin, Boris | Zhang, Chuanfang | Presser, Volker | Gogotsi, Yury | Barsoum, Michel W.

DOI:

Herein we show that heating 2D Ti3C2 in air resulted in TiO2 nanocrystals on thin sheets of disordered graphitic carbon structure that can handle extremely high cycling rates when tested as anodes in lithium ion batteries. Oxidation of 2D Ti3C2 in either CO2 or pressurized water also resulted in TiO2/C hybrid structure. Similarly, other hybrids can be produced, as we show here for Nb2O5/C from 2D Nb2C.

DOI:

Chemical Communications ,
2014, 50 7420-7423.

OPEN ACCESS
Continuous operation of an electrochemical flow capacitor

Porada, Slawomir | Lee, Juhan | Weingarth, Daniel | Presser, Volker

DOI:

The electrochemical flow capacitor (EFC) has been recently introduced as a new concept for rapid and capacitive energy storage using flowable carbon-electrolyte suspensions. In our study, we investigate the EFC under static and constant flow condition. Unlike static carbon suspensions where poor particle-particle-contact and particle settling yield a highly resistive and time-dependent behavior, we show that flow operation of carbon suspensions reach high Coulombic efficiency and stable energy density performance. Our results also indicate that the specific capacitance per total mass of carbon electrodes in flow operation is comparable to conventional binder-bound carbon film electrodes.

DOI:

Electrochemistry Communications ,
2014, 48 178-181.

Carbon flow electrodes for continuous operation of capacitive deionization and capacitive mixing energy generation

Porada, Slawomir | Weingarth, Daniel | Hamelers, Hubertus V. M. | Bryjak, Marek | Presser, Volker | Biesheuvel, P. Maarten

DOI:

Capacitive technologies, such as capacitive deionization and energy harvesting based on mixing energy ("capmix" and "CO2 energy"), are characterized by intermittent operation: phases of ion electrosorption from the water are followed by system regeneration. From a system application point of view, continuous operation has many advantages, to optimize performance, to simplify system operation, and ultimately to lower costs. In our study, we investigate as a step towards second generation capacitive technologies the potential of continuous operation of capacitive deionization and energy harvesting devices, enabled by carbon flow electrodes using a suspension based on conventional activated carbon powders. We show how the water residence time and mass loading of carbon in the suspension influence system performance. The efficiency and kinetics of the continuous salt removal process can be improved by optimizing device operation, without using less common or highly elaborate novel materials. We demonstrate, for the first time, continuous energy generation via capacitive mixing technology using differences in water salinity, and differences in gas phase CO2 concentration. Using a novel design of cylindrical ion exchange membranes serving as flow channels, we continuously extract energy from available concentration differences that otherwise would remain unused. These results may contribute to establishing a sustainable energy strategy when implementing energy extraction for sources such as CO2-emissions from power plants based on fossil fuels.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A ,
2014, 2 (24), 9313-9321.

OPEN ACCESS
Extraction of energy from small thermal differences near room temperature using capacitive membrane technology

Sales, Bruno B. | Burheim, Odne S. | Porada, Slawomir | Presser, Volker | Buisman, Cees J. N. | Hamelers, Hubertus V. M.

DOI:

Extracting electric energy from small temperature differences is an emerging field in response to the transition toward sustainable energy generation. We introduce a novel concept for producing electricity from small temperature differences by the use of an assembly combining ion exchange membranes and porous carbon electrodes immersed in aqueous electrolytes. Via the temperature differences, we generate a thermal membrane potential that acts as a driving force for ion adsorption/desorption cycles within an electrostatic double layer, thus converting heat into electric work. We report for a temperature difference of 30 °C a maximal energy harvest of ~2 mJ/m2, normalized to the surface area of all the membranes.

DOI:

Environmental Science & Technology Letters ,
2014, 1 (9), 356-360.

Carbon additives for electrical double layer capacitor electrodes

Weingarth, Daniel | Cericola, Dario | Mornaghini, Flavio C. F. | Hucke, Thomas | Kötz, Rüdiger

DOI:

Electrochemical double layer capacitors (EDLCs) are inherently high power devices when compared to rechargeable batteries. While capacitance and energy storage ability are mainly increased by optimizing the electrode active material or the electrolyte, the power capability could be improved by including conductive additives in the electrode formulations. This publication deals with the use of four different carbon additives – two carbon blacks and two graphites – in standard activated carbon based EDLC electrodes. The investigations include: (i) physical characterization of carbon powder mixtures such as surface area, press density, and electrical resistivity measurements, and (ii), electrochemical characterization via impedance spectroscopy and cyclic voltammetry of full cells made with electrodes containing 5 wt.% of carbon additive and compared to cells made with pure activated carbon electrodes in organic electrolyte. Improved cell performance was observed in both impedance and cyclic voltammetry responses. The results are discussed considering the main characteristics of the different carbon additives, and important considerations about electrode structure and processability are drawn.

DOI:

Journal of Power Sources ,
2014, 266 475-480.

Graphitization as a universal tool to tailor the potential-dependent capacitance of carbon supercapacitors

Weingarth, Daniel | Zeiger, Marco | Jäckel, Nicolas | Aslan, Mesut | Feng, Guang | Presser, Volker

DOI:

Most efforts to improve the energy density of supercapacitors are currently dedicated to optimized porosity or hybrid devices employing pseudocapacitive elements. Little attention has been given to the effects of the low charge carrier density of carbon on the total material capacitance. To study the effect of graphitization on the differential capacitance, carbon onion (also known as onion-like carbon) supercapacitors are chosen. The increase in density of states (DOS) related to the low density of charge carriers in carbon materials is an important effect that leads to a substantial increase in capacitance as the electrode potential is increased. Using carbon onions as a model, it is shown that this phenomenon cannot be related only to geometric aspects but must be the result of varying graphitization. This provides a new tool to significantly improve carbon supercapacitor performance, in addition to having significant consequences for the modeling community where carbons usually are approximated to be ideal metallic conductors. Data on the structure, composition, and phase content of carbon onions are presented and the correlation between electrochemical performance and electrical resistance and graphitization is shown. Highly graphitic carbons show a stronger degree of electrochemical doping, making them very attractive for enhancing the capacitance.

DOI:

Advanced Energy Materials ,
2014, 4 (13), 1400316.

Oriented aluminum nanocrystals in a one-step process

Veith, Michael | Grobelsek, Ingrid | Kirs, Tatjana | Aktas, Oral C. | Dufloux, Cecile

DOI:

Aluminum coatings were deposited on glass substrates by chemical vapor deposition using N-methylpiperidine (nmp) stabilized dichloroalane [Cl2AlH•2nmp] as aluminum precursor. With regard to temperature, the experimental conditions were varied between 75 °C and 125 °C for the precursor and between 250 °C and 450 °C for the substrate. Depending on these parameters, highly textured layers could be deposited. The substrates have been consistently covered by a layer of idiomorphic, mostly distorted octahedra of aluminum single crystals. The morphologies of the structures and the degree of orientation of the crystals were investigated by scanning electron microscopy and X-ray diffraction measurements. The high order of [111] orientation was found to decrease with increasing precursor and substrate temperature. We propose a mechanism for the generation of the octahedral structures based on the formation of mesocrystals. On heating, the dichloroalane (stabilized with nmp) loses the nmp ligands together with hydrogen and chlorine. The amine (nmp) seems to trigger the formation of aluminum crystals depending on the temperature and thus influences the texture of the Al-layer and the formation of well-formed octahedron-like structures.

DOI:

Thin Solid Films ,
2014, 564 128-134.

In-situ and ex-situ measurements of thermal conductivity of supercapacitors

Hauge, Hans Henrik | Presser, Volker | Burheim, Odne S.

DOI:

Thermal signature of supercapacitors are investigated in-situ and ex-situ using commercial supercapacitors. Regarding the in-situ method, four supercapacitors were connected in series, with thermocouples embedded between the supercapacitors. As the applied current was increased, the temperature measured at the intrinsic positions also increased. When cycling at a current density of 0.11 A cm−2 the centre temperature increased by 14 K compared to the stack surface temperature. This is an important figure as literature states that an increase of 10 K leads to a corresponding decrease in the lifetime by a factor of 2. Using the obtained temperature profiles, the effective thermal conductivity of the stack was found to vary between 0.5 W K−1 m−1 and 1.0 W K−1 m−1, depending on the compaction of the stack. For the ex-situ measurements, the thermal conductivity and the thicknesses of the supercapacitor material layers were measured individually in order to determine the corresponding thermal conductivity of the stack. When using this method an effective thermal conductivity of the stack of 0.53 ± 0.06 W K−1 m−1 was obtained. The analysis also demonstrated that the main contributor to the thermal resistivity and conductivity of the supercapacitor construction is the electrodes. This demonstrates that when managing heat from supercapacitors it is important to focus on the thermal conductivity of the components materials.

DOI:

Energy ,
2014, 78 373-383.

2013
Pseudocapacitance and performance stability of quinone-coated carbon onions

Anjos, Daniela M. | McDonough, John K. | Perre, Emilie | Brown, Gilbert M. | Overbury, Steven H. | Gogotsi, Yury | Presser, Volker

DOI:

Onion-like carbon, also known as carbon onions, is a highly conductive material enabling supercapacitor electrodes with a very high power density. However, the moderate specific capacitance (circa 30 F/g) is insufficient for many energy storage applications. In our study, we show how decoration of carbon onions with quinones provides a facile method to increase the energy density up to one order of magnitude, namely, from 0.5 Wh/kg to 4.5 Wh/kg, while retaining a high power density and long lifetime. We present data for carbon onions modified with three different kinds of quinones: 1,4-naphthoquinone, 9,10-phenanthrenequinone, and 4,5-pyrenedione. Quinone-decorated carbon onion electrodes are investigated considering the actual quinone loading and the resulting electrochemical performance is probed in 1 M H2SO4 as the electrolyte using cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge. The maximum capacitance, 264 F/g, is found for carbon onions modified with 4,5-pyrenedione, which also shows the smallest fade in specific capacitance, namely 3%, over 10,000 charge and discharge cycles at a high current density of 1.3 A/g.

DOI:

Nano Energy ,
2013, 2 (5), 702-712.

In situ tracking of the nanoscale expansion of porous carbon electrodes

Arruda, Thomas M. | Heon, Min | Presser, Volker | Hillesheim, Patrick C. | Dai, Sheng | Gogotsi, Yury | Kalinin, Sergei V. | Balke, Nina

DOI:

Electrochemical double layer capacitors (EDLC) are rapidly emerging as a promising energy storage technology offering extremely large power densities. Despite significant experimental progress, nanoscale operation mechanisms of the EDLCs remain poorly understood and it is difficult to separate processes at multiple time and length scales involved in operation including that of double layer charging and ionic mass transport. Here we explore the functionality of EDLC microporous carbon electrodes using a combination of classical electrochemical measurements and scanning probe microscopy based dilatometry, thus separating individual stages in charge/discharge processes based on strain generation. These methods allowed us to observe two distinct modes of EDLC charging, one fast charging of the double layer unassociated with strain, and another much slower mass transport related charging exhibiting significant sample volume changes. These studies open the pathway for the exploration of electrochemical systems with multiple processes involved in the charge and discharge, and investigation of the kinetics of those processes.

DOI:

Energy & Environmental Science ,
2013, 6 (1), 225-231.