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
Porada, Slawomir | Borchardt, Lars | Oschatz, Martin | Bryjak, Marek | Atchison, Jennifer S. | Keesman, Karel J. | Kaskel, Stefan | Biesheuvel, P. Maarten | Presser, Volker
DOI:
Desalination by capacitive deionization (CDI) is an emerging technology for the energy- and cost-efficient removal of ions from water by electrosorption in charged porous carbon electrodes. A variety of carbon materials, including activated carbons, templated carbons, carbon aerogels, and carbon nanotubes, have been studied as electrode materials for CDI. Using carbide-derived carbons (CDCs) with precisely tailored pore size distributions (PSD) of micro- and mesopores, we studied experimentally and theoretically the effect of pore architecture on salt electrosorption capacity and salt removal rate. Of the reported CDC-materials, ordered mesoporous silicon carbide-derived carbon (OM SiC-CDC), with a bimodal distribution of pore sizes at 1 and 4 nm, shows the highest salt electrosorption capacity per unit mass, namely 15.0 mg of NaCl per 1 g of porous carbon in both electrodes at a cell voltage of 1.2 V (12.8 mg per 1 g of total electrode mass). We present a method to quantify the influence of each pore size increment on desalination performance in CDI by correlating the PSD with desalination performance. We obtain a high correlation when assuming the ion adsorption capacity to increase sharply for pore sizes below one nanometer, in line with previous observations for CDI and for electrical double layer capacitors, but in contrast to the commonly held view about CDI that mesopores are required to avoid electrical double layer overlap. To quantify the dynamics of CDI, we develop a two-dimensional porous electrode modified Donnan model. For two of the tested materials, both containing a fair degree of mesopores (while the total electrode porosity is [similar]95 vol%), the model describes data for the accumulation rate of charge (current) and salt accumulation very well, and also accurately reproduces the effect of an increase in electrode thickness. However, for TiC-CDC with hardly any mesopores, and with a lower total porosity, the current is underestimated. Calculation results show that a material with higher electrode porosity is not necessarily responding faster, as more porosity also implies longer transport pathways across the electrode. Our work highlights that a direct prediction of CDI performance both for equilibrium and dynamics can be achieved based on the PSD and knowledge of the geometrical structure of the electrodes.
Porada, Slawomir | Zhao, Ran | van der Wal, Albert | Presser, Volker | Biesheuvel, P. Maarten
DOI:
Porous carbon electrodes have significant potential for energy-efficient water desalination using a promising technology called Capacitive Deionization (CDI). In CDI, salt ions are removed from brackish water upon applying an electrical voltage difference between two porous electrodes, in which the ions will be temporarily immobilized. These electrodes are made of porous carbons optimized for salt storage capacity and ion and electron transport. We review the science and technology of CDI and describe the range of possible electrode materials and the various approaches to the testing of materials and devices. We summarize the range of options for CDI-designs and possible operational modes, and describe the various theoretical–conceptual approaches to understand the phenomenon of CDI.
Biesheuvel, P. Maarten | Porada, Slawomir | Presser, Volker
DOI:
In a recent study, Wimalasiri and Zou [1] have reported the use and performance of composite electrodes of carbon nanotubes (CNT) and graphene for application as porous electrodes in capacitive deionization (CDI). While CDI is emerging as an attractive technology for water desalination, and novel electrode materials and composites are important contributions to the advancement of the field, there are several issues in this study that we must comment on.
Levi, Mikhael D. | Sigalov, Sergey | Salitra, Gregory | Nayak, Prasant | Aurbach, Doron | Daikhin, Leonid | Perre, Emilie | Presser, Volker
DOI:
A novel approach to tracking intercalation-induced phase transitions in Li-ion battery materials demonstrated herein consists of simultaneous analysis of intercalation charge and the accompanying mechanical (geometric) changes in a microarray electrode composed of LixFePO4 intercalation particles probed by the electrochemical quartz-crystal admittance (EQCA) method. A recently elaborated approach to population dynamics of active (phase-transforming) nanoparticles has been used here for modeling current transients applying small potential steps to LixFePO4 electrodes. The number fraction of (phase) transformed particles thus calculated was directly compared with the changes in the effective thickness and permeability length of the electrode coating derived by EQCA. Geometric changes of thin active mass originating from different molar volumes of the parent and transformed phase result in nonuniform deformations of intercalation particles. This study confirms the collective behavior of LixFePO4 intercalation particles during electrochemically induced phase transition. The use of EQCA as a highly precise and sensitive probe of mass and geometric changes in the electrode layer of intercalation particles paves the way for dynamic in situ studies of nonuniform intercalation particles deformations which can hardly be assessed by other available techniques.
Hantel, Moritz M. | Presser, Volker | McDonough, John K. | Feng, Guang | Cummings, Peter T. | Gogotsi, Yury | Kötz, Rüdiger
DOI:
High power electrochemical double layer capacitors (also called supercapacitors) rely on highly conductive electrode materials with a large specific surface area, which is easily accessible for ions. Exohedral materials with a large ion-accessible outer surface and little or no porosity within the particles are particularly attractive for supercapacitor electrodes because they decrease mass transport limitations and enable very high charge/discharge rates. This study focuses on the investigation of charge induced expansion effects of spherical exohedral carbons, that is, onion-like carbons (OLC, diameter: 5–7 nm) and carbon black (diameter: ≈40 nm). Employing electrochemical in-situ dilatometry we studied the expansion behavior within ±1 V potential window versus carbon in an organic electrolyte (tetraethylammonium-tetrafluoroborate in acetonitrile). The expansion had a very small amplitude (<0.2% at ±0.08 C·m-2 accumulated charge; i.e., approximately ±1 V versus carbon) and was fully reversible. This was explained by ion adsorption on the exohedral carbons. Molecular dynamics (MD) simulations were employed to calculate the solvation shell of the respective cation and anion and the results were used to further evaluate the measured expansion. In summary, the experiments and simulations revealed that ion intercalation or ion sieving, which are commonly found in microporous (endohedral) carbons, were absent. Finally, low sweep rates resulted in a slight electrode compaction on a cycle-by-cycle basis, which can be explained by charge-induced restructuring of the nanoparticle network.
Oschatz, Martin | Borchardt, Lars | Thommes, Matthias | Cychosz, Katie A. | Senkovska, Irena | Klein, Nicole | Frind, Robert | Leistner, Matthias | Presser, Volker | Gogotsi, Yury | Kaskel, Stefan
DOI:
Sierpinski carbon: Macroporous carbide-derived carbon monoliths (DUT-38) were synthesized starting from SiC-PolyHIPEs, resulting in a hierarchical micro-, meso-, and macroporous structure. The high specific surface area and high macropore volume renders PolyHIPE-CDC an excellent adsorbent combining high storage capacity with excellent adsorption rates in gas storage and air filtration.
Oschatz, Martin | Borchardt, Lars | Thommes, Matthias | Cychosz, Katie A. | Senkovska, Irena | Klein, Nicole | Frind, Robert | Leistner, Matthias | Presser, Volker | Gogotsi, Yury | Kaskel, Stefan
DOI:
DOI:Presser, Volker | Yeon, Sun-Hwa | Vakifahmetoglu, Cekdar | Howell, Carol A. | Sandeman, Susan R. | Colombo, Paolo | Mikhalovsky, Sergey | Gogotsi, Yury
DOI:
DOI:Zhou, Hua | Rouha, Michael | Feng, Guang | Lee, Sang Soo | Docherty, Hugh | Fenter, Paul | Cummings, Peter T. | Fulvio, Pasquale F. | Dai, Sheng | McDonough, John K. | Presser, Volker | Gogotsi, Yury
DOI:
The nanoscale interactions of room temperature ionic liquids (RTILs) at uncharged (graphene) and charged (muscovite mica) solid surfaces were evaluated with high resolution X-ray interface scattering and fully atomistic molecular dynamics simulations. At uncharged graphene surfaces, the imidazolium-based RTIL ([bmim+][Tf2N-]) exhibits a mixed cation/anion layering with a strong interfacial densification of the first RTIL layer. The first layer density observed via experiment is larger than that predicted by simulation and the apparent discrepancy can be understood with the inclusion of, dominantly, image charge and π-stacking interactions between the RTIL and the graphene sheet. In contrast, the RTIL structure adjacent to the charged mica surface exhibits an alternating cation-anion layering extending 3.5 nm into the bulk fluid. The associated charge density profile demonstrates a pronounced charge overscreening (i.e., excess first-layer counterions with respect to the adjacent surface charge), highlighting the critical role of charge-induced nanoscale correlations of the RTIL. These observations confirm key aspects of a predicted electric double layer structure from an analytical Landau-Ginzburg-type continuum theory incorporating ion correlation effects, and provide a new baseline for understanding the fundamental nanoscale response of RTILs at charged interfaces.
Presser, Volker | Vakifahmetoglu, Cekdar
DOI:
This Letter is in response to a recent paper by Ma et al. (CrystEngComm, 2010, 12, 750-754) which arguably studied vanadium carbide nanostructures whereas all available evidence indicates the study of vanadium oxide. We feel that it is important to communicate to the community several inconsistencies so that the interesting material reported can be seen in the right light, especially with several groups nowadays having reported similar structures from vanadium oxide synthesis.







