Benzotriazinylradikalhaltige Polymere als bipolares aktives Elektrodenmaterial in organischen Sekundärbatterien

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich S. Schubert
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328403339

Die Verbreitung mobiler Geräte und deren zunehmende allgegenwärtige Vernetzung mit dem Internet (Internet of Things) macht die Entwicklung platzsparender wie auch biegbarer Stromspeicher erforderlich. Die derzeitige Referenztechnologie der Lithiumionenakkumulatoren erweist sich dabei als nur bedingt geeignet, da zum Einen die Herstellung mechanisch flexibler Systeme nur eingeschränkt möglich ist und zum Anderen sich sowohl die Gewinnung und Verarbeitung der benötigten Rohstoffe als auch die Entsorgung ausgedienter Batterien ökologisch hoch anspruchsvoll gestaltet. Aus diesen Gründen wird mehr und mehr Aufwand in die Entwicklung organischer redoxaktiver Moleküle als Grundlage für Dünnschichtsekundärbatterien investiert. Diese lassen sich durch organische Synthese herstellen und durch Verbrennen idealerweise rückstandslos entsorgen. Weiterhin lassen sich ihre (elektro)chemischen Eigenschaften durch Optimierung der gewählten chemischen Strukturen an unterschiedlichste Anforderungen anpassen. Jedoch haben kleine Moleküle den Nachteil, sich unter Umständen in der Akkumulatorzelle zu lösen und so die Lebenszeit drastisch zu reduzieren. Deshalb werden die monomeren redoxaktiven Einheiten in langkettige Polymere integriert, die eine wesentlich schlechtere Löslichkeit aufweisen.Im Rahmen dieses Projektes sollen im Speziellen Polymere auf Grundlage des Benzo-1,2,4-triazinylradikal entwickelt werden. Dieses Molekül zeichnet sich durch elektrochemische Reversibilität, Stabilität gegenüber Luft und Wasser sowie gute synthetische Zugänglichkeit aus. Des Weiteren lassen sich seine Redoxeigenschaften sehr einfach durch Wahl eines geeigneten Subsitutionsmusters einstellen, sodass auch Systeme erzeugt werden können, die sowohl als Anode als auch als Kathode fungieren können und den Bau einer bipolaren, pol-losen Batterie ermöglichen.Ein zentrales Ziel stellt die Erhöhung der bisher nur geringen theoretischen Kapazität (60 bis 70 mAh g-1) auf Werte über 100 mAh g-1 dar. Dies soll primär durch Verringerung der molaren Masse der Monomere geschehen. Letztere sollen dabei selbstverständlich ihre (elektro)chemische Stabilität beibehalten, eine Spannung von ca. 1,2 V ermöglichen (um die Verwendung wässriger Elektrolyte zu erlauben) und immer noch polymerisierbar sein. Das Studieren des Einflusses verschiedener Substituenten am Molekül auf deren Eigenschaften soll dabei eine systematische Optimierung der Komponenten ermöglichen. Die Studie umfasst dabei die direkte Charakterisierung der Monomere und Polymere in Lösung und im Film, die Verarbeitung der Polymere in Dünnschichtkompositelektroden (mit Leit- und Bindeadditiv) und deren Charakteriserung sowie den Bau und die umfassende Untersuchung von halborganischen (mit Lithium bzw. Natrium als Anode) und vollorganischen Zellen. Dabei soll auch die Herstellung der Zellen, insbesondere bezüglich der Wahl der Additive und der Verarbeitung der Dünnschichtelektroden (Rakeln, Tintenstrahldruck), optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen