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
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E-Mail: selin.sensoy@leibniz-inm.de
Doktorandin
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E-Mail: burcu.tan@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-402
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

2013
Nuclear magnetic resonance study of ion adsorption on microporous carbide-derived carbon

Forse, Alexander C. | Griffin, John M. | Wang, Hao | Trease, Nicole M. | Presser, Volker | Gogotsi, Yury | Simon, Patrice | Grey, Clare P.

DOI:

A detailed understanding of ion adsorption within porous carbon is key to the design and improvement of electric double-layer capacitors, more commonly known as supercapacitors. In this work nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is used to study ion adsorption in porous carbide-derived carbons. These predominantly microporous materials have a tuneable pore size which enables a systematic study of the effect of pore size on ion adsorption. Multinuclear NMR experiments performed on the electrolyte anions and cations reveal two main environments inside the carbon. In-pore ions (observed at low frequencies) are adsorbed inside the pores, whilst ex-pore ions (observed at higher frequencies) are not adsorbed and are in large reservoirs of electrolyte between carbon particles. All our experiments were carried out in the absence of an applied electrical potential in order to assess the mechanisms related to ion adsorption without the contribution of electrosorption. Our results indicate similar adsorption behaviour for anions and cations. Furthermore, we probe the effect of sample orientation, which is shown to have a marked effect on the NMR spectra. Finally, we show that a 13C -> 1H cross polarisation experiment enables magnetisation transfer from the carbon architecture to the adsorbed species, allowing selective observation of the adsorbed ions and confirming our spectral assignments.

DOI:

Physical Chemistry Chemical Physics,
2013, 15 (20), 7722-7730.

OPEN ACCESS
Anisometric charge dependent swelling of porous carbon in an ionic liquid

Kaasik, Friedrich | Tamm, Tarmo | Hantel, Moritz M. | Perre, Emilie | Aabloo, Alvo | Lust, Enn | Bazant, Martin Z. | Presser, Volker

DOI:

In situ electrochemical dilatometry was used to study, for the first time, the expansion behavior of a porous carbon electrode in a pure ionic liquid, 1-ethyl-3-methyl-imidazolium-tetrafluoroborate. For a single electrode, an applied potential of −2 V and +2 V against the potential of zero charge resulted in maximum strains of 1.8% and 0.5%, respectively. During cyclic voltammetry, the characteristic expansion behavior strongly depends on the scan rate, with increased scan rates leading to a decrease of the expansion. Chronoamperometry was used to determine the equilibrium specific capacitance and expansion. The obtained strain versus accumulated charge relationship can be fitted with a simple quadratic function. Cathodic and anodic expansion data collapse on one parabola when normalizing the surface charge by the ratio of ion volume and average pore size. There is also a transient spike in the height change when polarity is switched from positive to negative that is not observed when changing the potential from negative to positive indicating the size and the shape of the ion is influencing the expansion behavior.

DOI:

Electrochemistry Communications,
2013, 34, 196-199.

Adsorption of proteins in channels of carbon nanotubes: Effect of surface chemistry

Kharlamova, Marianna V. | Mochalin, Vadym N. | Lukatskaya, Maria R. | Niu, Junjie | Presser, Volker | Mikhalovsky, Sergey | Gogotsi, Yury

DOI:

The adsorption of molecules in a confined environment (pores and narrow channels) differs from adsorption on flat surfaces. While the immobilization of proteins on porous carbon and the transport of protein molecules through carbon nanotube channels are of great practical importance, the interaction of proteins with the carbon surface in confinement is poorly understood. In this study the adsorption of bovine serum albumin (BSA) and tumor necrosis factor-α (TNF-α) was studied in carbon nanotubes grown by chemical vapor deposition in cylindrical pores of anodic alumina membranes. BSA adsorption depends on the channel diameter of the carbon nanotubes, the termination of nanotube surfaces (surface chemistry), and the pH of medium. Amination of the carbon surface leads to increased adsorption of the proteins at neutral pH, while oxidation decreases the sorption capacity. The differences have been explained by favorable or unfavorable electrostatic interactions between protein molecules and the carbon surface.

DOI:

Materials Express,
2013, 3 (1), 1-10.

In situ tracking of ion insertion in iron phosphate olivine electrodes via electrochemical quartz crystal admittance

Levi, Mikhael D. | Sigalov, Sergey | Salitra, Gregory | Elazari, Ran | Aurbach, Doron | Daikhin, Leonid | Presser, Volker

DOI:

LiFePO4 is one of most promising cathode materials for lithium-ion batteries (LIB) due to its superior rate handling ability, reduced cost, low environmental hazards, and safe long-term cyclability. Application of electrochemical quartz crystal admittance (EQCA) method to LIB electrodes provides direct access to potential-driven shifts of frequency (∆fexp) and width (∆Γ) of the resonance peaks simultaneously with the charge due to Li-ions insertion/extraction. In addition to conventional monitoring of mass changes in the electrode coating, the parameters ∆fexp and ∆Γ reflect via hydrodynamic solid-liquid interactions, in-situ mechano-structural changes in the composite electrodes occurring during the operation of a LIB. Applying the model that takes into account such interactions, potential-induced changes of the effective thickness and permeability of the composite electrode have been determined which are evident of non-uniform deformation of the electrode coating caused by ions insertion/extraction process. Using EQCA as a unique mechanical probe of the insertion-type electrodes, the dynamic effect of the local host environment on the foreign Na+-ions insertion/extraction has been studied in mixed solution of Li and Na salts. As a highly reliable and quantitative tool, EQCA methodology may provide surprisingly wide scope for further investigations resulting in a broader understanding of coupled electrochemical and mechanical events in LIB during their long-term operation. This includes information about the distortion/deformation of the electrode intercalation particles and the entire composite electrode under polarization, and is able to clarify the role of polymeric binder in the composite electrodes as the factor stabilizing long-term cyclability of Li-ions batteries.

DOI:

Journal of Physical Chemistry C,
2013, 117 (3), 1247-1256.

Direct observation of pseudocapacitor electrode behavior during electrochemical biasing using in-situ liquid stage electron microscopy

Parent, Lucas R. | Presser, Volker | Gogotsi, Yury | Unocic, Raymond R. | Sacci, Robert L. | Evans, James E. | Browning, Nigel D. | Perre, Emilie | Dunn, Bruce | Arlan, Ilke

DOI:

DOI:

Microscopy and Microanalysis,
2013, 19 (Supplement S2), 412-413.

Structure and electrochemical performance of carbide-derived carbon nanopowders

Pérez, Carlos R. | Yeon, Sun-Hwa | Ségalini, Julie | Presser, Volker | Taberna, Pierre-Louis | Simon, Patrice | Gogotsi, Yury

DOI:

Microporous carbon materials are widely used in gas storage, sorbents, supercapacitor electrodes, water desalination, and catalyst supports. While these microporous carbons usually have a particle size in the 1-100 μm range, here the synthesis of porous carbide-derived carbon (CDC) with particle diameters around 30 nm by extraction of titanium from nanometer-sized titanium carbide (TiC) powder at temperatures of 200 °C and above is reported. Nanometer-sized CDCs prepared at 200-400 °C show a disordered structure and the presence of CN sp1 bonds. Above 400 °C, the CN bond disappears with the structure transition to disordered carbon similar to that observed after synthesis from carbide micropowders. Compared to CDCs produced from micrometer-sized TiC, nano-CDC has a broader pore size distribution due to interparticle porosity and a large contribution from the surface layers. The material shows excellent electrochemical performance due to its easily accessible pores and a large specific surface area.

DOI:

Advanced Functional Materials,
2013, 23 (8), 1081-1089.

Direct prediction of the desalination performance of porous carbon electrodes for capacitive deionization

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.

DOI:

Energy & Environmental Science,
2013, 6 (12), 3700-3712.

OPEN ACCESS
Review on the science and technology of water desalination by capacitive deionization

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.

DOI:

Progress in Materials Science,
2013, 58 (8), 1388-1442.

OPEN ACCESS
Comment on „Carbon nanotube/graphene composite for enhanced capacitive deionization performance“ by Y. Wimalasiri and L. Zou

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.

DOI:

Carbon,
2013, 63, 574-575.

Collective phase transition dynamics in microarray composite LixFePO4 electrodes tracked by in situ electrochemical quartz crystal admittance

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.

DOI:

Journal of Physical Chemistry C,
2013, 117 (30), 15505-15514.