NanoEnergy - Kohlenstoff-basierte sphärische Nanokomposite als elektrochemische Energiespeicher

• Antragsteller: Professor Dr. Rüdiger Klingeler
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379644293

Das Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kohlenstoff-basierter sphärischer Nano-Hybridmaterialien für Anoden in Lithium-Ionen Batterien (LIB). Die vorgeschlagene Funktionalisierungsstrategie wird auf Konversionsmaterialien angewendet, welche besonders hohe Kapazitäten für die elektrochemische Energiespeicherung aufweisen. Auf diese Weise werden potententielle Elektrodenmaterialien durch die Funktionalisierung als Carbon-Nanohybride in tatsächliche Energiespeichermaterialien umgewandelt. Die wichtigsten Design-Strategien sind dabei: (i) Nanoskalige Konversionsmaterialien; (ii) Kohlenstoff-Nanostrukturen, die ein auch beim elektrochemischen Zyklieren ein stabiles Netzwerk formen; (iii) starke Bindungen bzw. Einbettung der aktiven Materialien an/in die Kohlenstoffmatrix, um elektrische Kontakte an das leitfähige Netzwerk auch im Fall der teilweisen Degradation des Materials während des Zyklierens zu gewährleisten. Im Projekt werden verschiedene Synthesemethoden eingesetzt werden, z.B. CVD mit harten Templaten (z.B. für reine Carbon Spheres und die Deposition von Graphen) sowie nasschemische Routen (für die Füllung der Nanosphären). Die daraus resultierenden Materialien werden mittels einer Vielzahl experimenteller Techniken charakterisiert, z.B. Raman, FT-IR, TGA, TEM-EDX, SEM, BET, XRD, XPS, in-situ Magnetisierung, und Elektronen-Spin-Resonanz. Die elektrochemischen Eigenschaften werden durch Zyklische Voltammetrie (CV), galvanostatische Zyklierung (GCPL) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht werden. In Einzelfällen werden in-situ XRD Messungen eingesetzt, um die elektrochemischen Mechanismen und Strukturänderungen beim Zyklieren zu untersuchen. Zudem werden zyklierte Materialien wiederum durch XRD, SEM, TEM und XPS untersucht, um die Effekte auf die Struktur und Morphologie sowie die auftretenden Defekte zu studieren. Insgesamt werden für das Projekt Methoden und Experimente der Materialwissenschaften, der Chemie, und der Festkörperphysik benötigt, so dass ein interdisziplinärer Ansatz notwendig ist, der für beide Partner große Vorteile nach sich zieht. Daher sollen die besonderen Stärken des polnischen Partners bei der Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen und -kompositen mit der Expertise des deutschen Partners hinsichtlich der Untersuchung von elektrochemischen und physikalischen Eigenschaften neuer Materialien kombiniert werden. Auf diese Weise wird das Projekt eine neue Klasse von Materialien erforschen, die als Anodenmaterialien in LIB ein hohes Anwednungspotential besitzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Dr. Xuecheng Chen