Gefriertrocknung von Mikroemulsionen als neuartiger Ansatz zur Herstellung von graphengekapselten Schwefel- und Siliziumnanopartikel für Batterieanwendungen

• Antragsteller: Chuyen Van Pham, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389154849

Schwefel (S) und Silizium (Si) haben in den letzten Jahren als vielversprechende Kandidaten als Kathoden- bzw. Anodenaktivmaterial in Lithiumionenbatterien (LIBs) der nächsten Generation viel Beachtung erfahren. Nichtsdestotrotz sind die derzeit erzielbaren Leistungen von S bzw. Si-basierten LIBs nicht zufriedenstellend. Bei schwefelbasierten Batterien liegt dies an drei wesentlichen Gründen: (i) Der Verlust von Schwefel als Aktivmaterial beim Be- und Entladen der Batterien durch Löslichkeit von Polysulfiden im Batterieelektrolyten, (ii) einer starken Volumenänderung von etwa 75 % bei der Lithiierung von Schwefel, welche zur Zersetzung der Batterieelektroden führt und (iii) der schlechten elektrischen Leitfähigkeit von Schwefel (10^(-30) S/cm). Bei Siliziumanoden ist die mechanische Beanspruchung durch eine Volumenänderung von 400 % noch deutlich größer, des Weiteren reagiert das Silizium mit dem Elektrolyten, was zu Materialpulverisierung und Oberflächenpassivierung führen kann.Dieses Projekt soll einen neuartigen Herstellungsansatz einführen, der sowohl Schwefel- als auch Siliziumnanopartikel (NPs) für LIB-Anwendungen in drei Schritten in Nanostrukturen aus reduziertem Graphenoxid (rGO) einkapselt: (i) Zunächst wird eine S bzw. Si@GO-Mikroemulsion hergestellt. Deren dispergierte Phase besteht aus S- bzw. Si-Partikeln, die in organischen Lösemitteln gelöst sind. Die kontinuierliche Phase der Emulsion ist wässrig gelöstes GO. (ii) Diese Emulsion wird in einem nächsten Schritt gefriergetrocknet. (iii) Anschließend wird das GO zu rGO reduziert.Während der Herstellung der Mikroemulsion (Schritt (i)) wird die Oberfläche der Mizellen durch die Verwendung eines kationischen Tensids positiv geladen. Dadurch bleiben negativ aufgeladene GO-Flocken an den Mizellen haften und bilden so durch Selbstanordnung runde GO-Hüllen, welche die S bzw. Si Mizellen umschließen.Wissenschaftliche Ziele: (i) Die Herstellung neuartiger Mikro-Emulsionen von S- bzw. Si-haltigen Mizellen, die von GO umschlossen sind. (ii) Die Formierung von GO-Hüllen auf Basis elektrostatischer Anziehung negativ geladener GO-Flocken und positiv geladener Mizellenoberfläche, welche von der Verwendung eines kationischen Tensids herrührt. (iii) Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter in (i) und (ii) um die im Folgenden gelisteten technologischen Ziele zu erreichen.Technologische Ziele: Dieses Projekt soll es ermöglichen, wohldefinierte rGO-umhüllte S bzw. Si-NPs herzustellen, welche in eine rGO-Matrix eingebettet sind (S bzw. Si@rGO). Die Größe der NPs soll dabei ebenso justierbar sein wie die S bzw. Si-Beladung und die Morphologie der Porenstruktur der rGO-Matrix. Auf diese Weise soll eine effizientere Nutzung des Aktivmaterials in entsprechenden LIBs gewährleistet und bessere Zellleistung gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Dynamic laser scattering and zeta potential
• Gerätegruppe: 1950 Partikelzählgeräte und -klassiergeräte (optisch, elektronisch, außer 35