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
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
Telefon: +49 (0)681-9300-151
E-Mail: peter.burger@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-218
E-Mail: jean.ruthes@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-368
E-Mail: zeyu.fu@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-365
E-Mail: ayush.gadpayle@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: matthias.haller@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: nicolas.huth@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-374
E-Mail: cansu.koek@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-268
E-Mail: chiraz.layouni@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-374
E-Mail: Thao.Le@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: mingren.liu@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: meenu.meenu@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-314
E-Mail: said.mondahchouo@leibniz-inm.de
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E-Mail: Volker.Presser@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-218
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Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: anna.seltmann@leibniz-inm.de
Telefon: +49 (0)681-9300-319
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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.

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

Charge-transfer materials for electrochemical water desalination, ion separation and the recovery of elements

Srimuk, Pattarachai | Su, Xiao | Yoon, Jeyong | Aurbach, Doron | Presser, Volker

DOI:

Reversible electrochemical processes are a promising technology for energy-efficient water treatment. Electrochemical desalination is based on the compensation of electric charge by ionic species, through which the ions are immobilized and, thereby, removed from a feed-water stream flowing through a desalination cell. For decades, electrochemical desalination has focused on the use of carbon electrodes, but their salt-removal ability is limited by the mechanism of ion electrosorption at low molar concentrations and low charge-storage capacity. Recently, charge-transfer materials, often found in batteries, have demonstrated much larger charge-storage capacities and energy-efficient desalination at both low and high molar strengths. In this Review, we assess electrochemical-desalination mechanisms and materials, including ion electrosorption and charge-transfer processes, namely, ion binding with redox-active polymers, ion insertion, conversion reactions and redox-active electrolytes. Furthermore, we discuss performance metrics and cell architectures, which we decouple from the nature of the electrode material and the underlying mechanism to show the versatility of cell-design concepts. These charge-transfer processes enable a wealth of environmental applications, ranging from potable-water generation and industrial-water remediation to lithium recovery and heavy-metal-ion removal.

DOI:

Nature Reviews Materials ,
2020, 5 517–538.

Redox Flow Battery for Continuous and Energy-Effective Lithium Recovery from Aqueous Solution

Wang, Lei | Arnold, Stefanie | Ren, Panyu | Wang, Qingsong | Jin, Jun | Wen, Zhaoyin | Presser, Volker

DOI:

Lithium-ion batteries are the primary power source for electric vehicles and portable electronic devices, creating a massive demand to mine and extract lithium. So far, lithium extraction has focused on brine and geological deposits. Yet, access to the enormous amount of lithium (at low concentration) in the earth’s oceans and other aqueous media remains challenging. Electrodialysis with Li-selective ceramic membranes could effectively separate lithium from seawater but at a high energy cost. Reversible electrochemical processes, like redox flow batteries, can overcome the limitation of electrodialysis-based systems. Herein we propose a system combining Li-selective ceramic membranes and a simple redox flow electrolyte to accomplish continuous lithium recovery from seawater. The lithium-extraction redox flow battery (LE-RFB) extracts dissolved lithium with a purity of 93.5% from simulated seawater, corresponding to a high Li/Mg selectivity factor of about 500.000:1. Benefiting from a low operating voltage, 1 g of lithium is extracted with only 2.5 Wh of energy consumption.

DOI:

ACS Energy Letters ,
2022, 7 (10), 3539-3544.

Continuous transition from double-layer to Faradaic charge storage in confined electrolytes

Fleischmann, Simon | Zhang, Yuan | Wang, Xuepeng | Cummings, Peter T. | Wu, Jianzhong | Simon, Patrice | Gogotsi, Yury | Presser, Volker | Augustyn, Veronica

DOI:

The capacitance of the electrochemical interface has traditionally been separated into two distinct types: non-Faradaic electric double-layer capacitance, which involves charge induction, and Faradaic pseudocapacitance, which involves charge transfer. However, the electrochemical interface in most energy technologies is not planar but involves porous and layered materials that offer varying degrees of electrolyte confinement. We suggest that understanding electrosorption under confinement in porous and layered materials requires a more nuanced view of the capacitive mechanism than that at a planar interface. In particular, we consider the crucial role of the electrolyte confinement in these systems to reconcile different viewpoints on electrochemical capacitance. We propose that there is a continuum between double-layer capacitance and Faradaic intercalation that is dependent on the specific confinement microenvironment. We also discuss open questions regarding electrochemical capacitance in porous and layered materials and how these lead to opportunities for future energy technologies.

DOI:

Nature Energy ,
2022, 7 pages 222–228.

Design of high-performance antimony/MXene hybrid electrodes for sodium-ion batteries

Arnold, Stefanie | Gentile, Antonio | Li, Yunjie | Wang, Qingsong | Marchionna, Stefano | Ruffo, Riccardo | Presser, Volker

DOI:

Due to their versatile properties and excellent electrical conductivity, MXenes have become attractive materials for alkali metal-ion batteries. However, as the capacity is limited to lower values due to the intercalation mechanism, these materials can hardly keep up in the ever-fast-growing community of battery research. Antimony has a promisingly high theoretical sodiation capacity characterized by an alloying reaction. The main drawback of this type of battery material is related to the high volume changes during cycling, often leading to electrode cracking and pulverization, resulting in poor electrochemical performance. A synergistic effect of combing antimony and MXene can be expected to obtain an optimized electrochemical system to overcome capacity fading of antimony while taking advantage of MXene charge storage ability. In this work, variation of the synthesis parameters and material design strategy have been dedicated to achieving the optimized antimony/MXene hybrid electrodes for high-performance sodium-ion batteries. The optimized performance does not align with the highest amount of antimony, the smallest nanoparticles, or the largest interlayer distance of MXene but with the most homogeneous distribution of antimony and MXene while both components remain electrochemically addressable. As a result, the electrode with 40 mass% MXene, not previously expanded, etched with 5 mass% HF and 60% antimony synthesized on the surfaces of MXene emerged as the best electrode. We obtained a high reversible capacity of 450 mA h g−1 at 0.1 A g−1 with a capacity retention of around 96% after 100 cycles with this hybrid material. Besides the successful cycling stability, this material also exhibits high rate capability with a capacity of 365 mA h g−1 at 4 A g−1. In situ XRD measurements and post mortem analysis were used to investigate the reaction mechanism.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A ,
2022, 10 (19), 10569-10585.

OPEN ACCESS