Gruppenfoto der Arbeitsgruppe Energie-Materialien im INM; die Mitarbeitenden gehen gemeinsam durch einen Innenbereich auf die Kamera zu.

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)681-9300-153
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
Doktorandin
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
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: meenu.meenu@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-314
E-Mail: said.mondahchouo@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
Gastdoktorand/in
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: yassine.seffar@leibniz-inm.de
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: anna.seltmann@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
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
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

2023
Toward a Li-Ion Battery Ontology Covering Production and Material Structure

Mutz, Marcel | Perovic, Milena | Gümbel, Philip | Steinbauer, Veit | Taranovskyy, Andriy | Li, Yunjie | Beran, Lisa | Käfer, Tobias | Dröder, Klaus | Knoblauch, Volker | Kwade, Arno | Presser, Volker | Werth, Dirk | Kraus, Tobias

DOI:

An ontology for the structured storage, retrieval, and analysis of data on lithium-ion battery materials and electrode-to-cell production is presented. It provides a logical structure that is mapped onto a digital architecture and used to visualize, correlate, and make predictions in battery production, research, and development. Materials and processes are specified using a predetermined terminology; a chain of unit processes (steps) connects raw materials and products (items) of battery cell production. The ontology enables the attachment of analytical methods (characterization methods) to items. Workshops and interviews with experts in battery materials and production processes are conducted to ensure that the structure is conformable both for industrial-scale and laboratory-scale data generation and implementation. Raw materials and intermediate products are identified and defined for all steps to the final battery cell. Steps and items are defined based on current standard materials and process chains using terms that are in common use. Alternative structures and the connection of the ontology to other existing ontologies are discussed. The contribution provides a pragmatic, accessible way to unify the storage of materials-oriented lithium-ion battery production data. It aids the linkage of such data with domain knowledge and the automation of data analysis in production and research.

DOI:

Energy Technology ,
2023, 11 (5), 2200681.

OPEN ACCESS
Toward MBenes Battery Electrode Materials: Layered Molybdenum Borides for Li-Ion Batteries

Majed, Ahmad | Torkamanzadeh, Mohammad | Nwaokorie, Chukwudi F. | Eisawi, Karamullah | Dun, Chaochao | Buck, Audrey | Urban, Jeffrey J | Montemore, Matthew M. | Presser, Volker | Naguib, Michael

DOI:

Lithium-ion and sodium-ion batteries (LIBs and SIBs) are crucial in our shift toward sustainable technologies. In this work, the potential of layered boride materials (MoAlB and Mo2AlB2) as novel, high-performance electrode materials for LIBs and SIBs, is explored. It is discovered that Mo2AlB2 shows a higher specific capacity than MoAlB when used as an electrode material for LIBs, with a specific capacity of 593 mAh g−1 achieved after 500 cycles at 200 mA g−1. It is also found that surface redox reactions are responsible for Li storage in Mo2AlB2, instead of intercalation or conversion. Moreover, the sodium hydroxide treatment of MoAlB leads to a porous morphology and higher specific capacities exceeding that of pristine MoAlB. When tested in SIBs, Mo2AlB2 exhibits a specific capacity of 150 mAh g−1 at 20 mA g−1. These findings suggest that layered borides have potential as electrode materials for both LIBs and SIBs, and highlight the importance of surface redox reactions in Li storage mechanisms.

DOI:

Small Methods ,
2023, 7 (8), 2300193_1-11.

OPEN ACCESS
Thermo-Responsive Ultrafiltration Block Copolymer Membranes Based on Polystyrene-block-Poly(diethyl acrylamide)

Frieß, Florian V. | Hartmann, Frank | Gemmer, Lea | Pieschel, Jens | Niebuur, Bart-Jan | Faust, Matthias | Kraus, Tobias | Presser, Volker | Gallei, Markus

DOI:

Within the present work, a thermo-responsive ultrafiltration membrane is manufactured based on a polystyrene-block-poly(diethyl acrylamide) block copolymer (BCP). The poly(diethyl acrylamide) block segment features a lower critical solution temperature (LCST) in water, similar to the well-known poly(N-isopropylacrylamide), but having increased biocompatibility and without exhibiting a hysteresis of the thermally induced switching behavior. The BCP is synthesized via sequential “living” anionic polymerization protocols and analyzed by 1H-NMR spectroscopy, size exclusion chromatography, and differential scanning calorimetry. The resulting morphology in the bulk state is investigated by transmission electron microscopy (TEM) and small-angle X-ray scattering (SAXS) revealing the intended hexagonal cylindrical morphology. The BCPs form micelles in a binary mixture of tetrahydrofuran and dimethylformamide, where BCP composition and solvent affinities are discussed in light of the expected structure of these micelles and the resulting BCP membrane formation. The membranes are manufactured using the non-solvent induced phase separation (NIPS) process and are characterized via scanning electron microscopy (SEM) and water permeation measurements. The latter are carried out at room temperature and at 50 °C revealing up to a 23-fold increase of the permeance, when crossing the LCST of the poly(diethyl acrylamide) block segment in water.

DOI:

Macromolecular Materials Engineering ,
2023, 308 (11), 2300113.

OPEN ACCESS
Titania hybrid carbon spherogels for photocatalytic hydrogen evolution

Torres-Rodríguez, Jorge | Myakala, Stephen Nagaraju | Salihovic, Miralem | Musso, Maurizio | Hüsing, Nicola | Eder, Dominik | Presser, Volker | Cherevan, Alexey | Elsaesser, Michael S.

DOI:

Recently, carbon spherogels have been introduced as a novel monolithic aerogel composed of hollow spheres. This material is conveniently obtained via polystyrene (PS) sphere templating. In the present study, we apply a water-soluble titania precursor (titanium(IV) bis(ammonium lactate) to the aqueous sol-gel synthesis based on resorcinol-formaldehyde (RF) to effectively encapsulate titania. In this way, a very high mass loading of up to 59 mass% of titania can be confined strictly to the inside of the hollow carbon spheres. In the final synthesis step, carbonization at 800 °C has three simultaneous effects: Transformation of the RF coating on PS into microporous carbon, PS template removal by decomposition, and formation of titania due to precursor dissociation. A deliberate tuning of the microporous carbon shell, accessibility of the titania, titania amount, and titania's polymorph is further demonstrated by thermal treatment under a carbon dioxide atmosphere. In contrast to non-tuned or TiC-containing carbon spherogels, CO2 activation of the composites results in a three orders of magnitude rise of their photocatalytic activity towards hydrogen evolution reaction, which we evaluate using flow and batch reactors. We further show that this effect is related to the partial etching of the carbon shell, which renders the TiO2 surface accessible to the reactants in the solution and allows for an efficient hole scavenging. Given the simplicity of the hybrid carbon spherogel (HCS) composite fabrication, the high degree of control of their morphological characteristics, and the striking effects of CO2-activation on performance, we believe that our results will contribute to the development of similar carbon-inorganic composites.

DOI:

Carbon ,
2023, 202 487-494.

Unraveling the Electrochemical Mechanism in Tin Oxide/MXene Nanocomposites as Highly Reversible Negative Electrodes for Lithium-Ion Batteries

Gentile, Antonio | Arnold, Stefanie | Ferrara, Chiara | Marchionna, Stefano | Tang, Yushu | Maibach, Julia | Kübel, Christian | Presser, Volker | Ruffo, Riccardo

DOI:

Lithium-ion batteries are constantly developing as the demands for power and energy storage increase. One promising approach to designing high-performance lithium-ion batteries is using conversion/alloying materials, such as SnO2. This class of materials does, in fact, present excellent performance and ease of preparation; however, it suffers from mechanical instabilities during cycling that impair its use. One way to overcome these problems is to prepare composites with bi-dimensional materials that stabilize them. Thus, over the past 10 years, two-dimensional materials with excellent transport properties (graphene, MXenes) have been developed that can be used synergistically with conversion materials to exploit both advantages. In this work, a 50/50 (by mass) SnO2/Ti3C2Tz nanocomposite is prepared and optimized as a negative electrode for lithium-ion batteries. The nanocomposite delivers over 500 mAh g−1 for 700 cycles at 0.1 A g−1 and demonstrates excellent rate capability, with 340 mAh g−1 at 8 A g−1. These results are due to the synergistic behavior of the two components of the nanocomposite, as demonstrated by ex situ chemical, structural, and morphological analyses. This knowledge allows, for the first time, to formulate a reaction mechanism with lithium-ions that provides partial reversibility of the conversion reaction with the formation of SnO.

DOI:

Advanced Materials Interfaces ,
2023, 10 (24), 2202484.

OPEN ACCESS
The Many Deaths of Supercapacitors: Degradation, Aging, and Performance Fading

Pameté, Emmanuel | Köps, Lukas | Kreth, Fabian A. | Pohlmann, Sebastian | Varzi, Alberto | Brousse, Thierry | Balducci, Andrea | Presser, Volker

DOI:

High-performance electrochemical applications have expedited the research in high-power devices. As such, supercapacitors, including electrical double-layer capacitors (EDLCs) and pseudocapacitors, have gained significant attention due to their high power density, long cycle life, and fast charging capabilities. Yet, no device lasts forever. It is essential to understand the mechanisms behind performance degradation and aging so that these bottlenecks can be addressed and tailored solutions can be developed. Herein, the factors contributing to the aging and degradation of supercapacitors, including electrode materials, electrolytes, and other aspects of the system, such as pore blocking, electrode compositions, functional groups, and corrosion of current collectors are examined. The monitoring and characterizing of the performance degradation of supercapacitors, including electrochemical methods, in situ, and ex situ techniques are explored. In addition, the degradation mechanisms of different types of electrolytes and electrode materials and the effects of aging from an industrial application standpoint are analyzed. Next, how electrode degradations and electrolyte decompositions can lead to failure, and pore blocking, electrode composition, and other factors that affect the device's lifespan are examined. Finally, the future directions and challenges for reducing supercapacitors' performance degradation, including developing new materials and methods for characterizing and monitoring the devices are summarized.

DOI:

Advanced Energy Materials ,
2023, 13 (29), 2301008.

OPEN ACCESS
Understanding the charging of supercapacitors by electrochemical quartz crystal microbalance

Niu, Liang | Yang, Long | Yang, Jingjing | chen, Ming | Zeng, Liang | Duan, Pan | Wu, Taizheng | Pameté, Emmanuel | Presser, Volker | Feng, Guang

DOI:

Supercapacitors are highly valued energy storage devices with high power density, fast charging ability, and exceptional cycling stability. A profound understanding of their charging mechanisms is crucial for continuous performance enhancement. Electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM), a detection means that provides in situ mass change information during charging–discharging processes at the nanogram level, has received greatly significant attention during the past decade due to its high sensitivity, non-destructiveness and low cost. Since being used to track ionic fluxes in porous carbons in 2009, EQCM has played a pivotal role in understanding the charging mechanisms of supercapacitors. Herein, we review the critical progress of EQCM hitherto, including theory fundamentals and applications in supercapacitors. Finally, we discuss the fundamental effects of ion desolvation and transport on the performance of supercapacitors. The advantages and defects of applying EQCM in supercapacitors are thoroughly examined, and future directions are proposed.

DOI:

Industrial chemistry & materials ,
2023, 1 (2), 175-187.

OPEN ACCESS
2022
Dual-Use of Seawater Batteries for Energy Storage and Water Desalination

Arnold, Stefanie | Wang, Lei | Presser, Volker

DOI:

Seawater batteries are unique energy storage systems for sustainable renewable energy storage by directly utilizing seawater as a source for converting electrical energy and chemical energy. This technology is a sustainable and cost-effective alternative to lithium-ion batteries, benefitting from seawater-abundant sodium as the charge-transfer ions. Research has significantly improved and revised the performance of this type of battery over the last few years. However, fundamental limitations of the technology remain to be overcome in future studies to make this method even more viable. Disadvantages include degradation of the anode materials or limited membrane stability in aqueous saltwater resulting in low electrochemical performance and low Coulombic efficiency. The use of seawater batteries exceeds the application for energy storage. The electrochemical immobilization of ions intrinsic to the operation of seawater batteries is also an effective mechanism for direct seawater desalination. The high charge/discharge efficiency and energy recovery make seawater batteries an attractive water remediation technology. Here, the seawater battery components and the parameters used to evaluate their energy storage and water desalination performances are reviewed. Approaches to overcoming stability issues and low voltage efficiency are also introduced. Finally, an overview of potential applications, particularly in desalination technology, is provided.

DOI:

Small ,
2022, 18 2107913.

OPEN ACCESS
In-situ (S)TEM Study of Synthesis and Degradation Process of Titanium-Based MXene Lithium-ion Anodes

Bahri, M. | Lee, Juhan | Spurling, Dahnan | Ronan, Oskar | Kübel, Christian | Nicolosi, Valeria | Presser, Volker | Mehdi, B. Layla

DOI:

DOI:

Microscopy and Microanalysis ,
2022, 28 (S1), 824-825.

Mixed Cu-Fe sulfides derived from polydopamine-coated Prussion blue analog as lithium-ion battery electrode

Bornamehr, Behnoosh | Presser, Volker | Husmann, Samantha

DOI:

Batteries employing transition-metal sulfides enable high-charge storage capacities, but polysulfide shuttling and volume expansion cause structural disintegration and early capacity fading. The design of heterostructures combining metal sulfides and carbon with an optimized morphology can effectively address these issues. Our work introduces dopamine-coated copper Prussian blue (CuPB) analogue as a template to prepare nanostructured mixed copper–iron sulfide electrodes. The material was prepared by coprecipitation of CuPB with in situ dopamine polymerization, followed by thermal sulfidation. Dopamine controls the particle size and favors K-rich CuPB due to its polymerization mechanism. While the presence of the coating prevents particle agglomeration during thermal sulfidation, its thickness demonstrates a key effect on the electrochemical performance of the derived sulfides. After a two-step activation process during cycling, the C-coated KCuFeS2 electrodes showed capacities up to 800 mAh/g at 10 mA/g with nearly 100% capacity recovery after rate handling and a capacity of 380 mAh/g at 250 mA/g after 500 cycles.

DOI:

ACS Omega ,
2022, 7 38674-38685.

OPEN ACCESS