Desing polymerbasierter organischer Dünnschicht-Batterien hin zu IoT Anwendungen.

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Gunther Brunklaus; Professor Dr. Rüdiger-A. Eichel; Professor Dr. Andreas Heuer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441255373

Internet der Dinge (IoT) Geräte erfordern eine Miniaturisierung, welche auch die Batterien betrifft, jedoch lassen sich die Anforderungen an die Leistung zur Datenübertragung nicht beliebig reduzieren. Somit werden Batterien benötigt, welche gepulst sehr hohe Stromdichten liefern können. Gleichzeitig müssen die Batterien eine lange Lebensdauer aufweisen, sicher betrieben werden können, günstig sein und Umweltfreundlich hergestellt und entsorgt werden können. Organische Radikalpolymere erfüllen prinzipiell diese Anforderungen. Die benötigten hohen Stromdichten und gute Zyklenfestigkeit erfordern jedoch weitere Materialanpassungen. Um dies gezielt wissensbasiert zu ermöglichen, ist es notwendig, die Elektronentransportprozesse zu verstehen, welche direkt für die Stromdichte und indirekt für Alterungsprozesse verantwortlich sind. Die Ziele dieses Projekts beinhalten die Optimierung von mehrlagigen organischen Polymerbatterien, welche mit Lithium-Metall als Anode betrieben werden, um höhere Leistungsdichten während kurzen Lade- und Entladepulsen zu ermöglichen. Um die Elektronen- und Ionentransportprozesse zu verstehen, wird ein holistischer Ansatz aus Materialsynthese, theoretischer Modellierung und spektro-elektrochemischer Untersuchungen eingesetzt, welcher spezifisch für Polymersysteme entwickelt wurde. So werden angepasste Elektronenspinresonanz-Experimente eingesetzt, inklusive in operando Messungen, um strukturelle Verteilungen der Radikalgruppen sowie deren Wechselwirkung mit anderen Materialkomponenten als Funktion des Ladungszustands der Batterie zu untersuchen. Beziehungen zwischen Zellkapazität und Alterungszustand der Batterie sowie zwischen Ladungszustand und Elektronenmobilität werden untersucht, um die Zellchemie zu verbessern. Mittels moleküldynamischer (MD) Simulationen werden Ionendiffusivität und Leitfähigkeit abgeschätzt und mit weiteren spektroskopischen Methoden wie der Kernmagnetresonanz (NMR) und der elektrochemischen Impedanzspektroskopie verglichen. MD-Strukturen werden dabei direkt genutzt, um spektroskopische Observable mittels quantenchemischer Simulationen zu berechnen. Damit werden gezielt Materialien mit verbesserten Elektronentransporteigenschaften ermöglicht. Schliesslich soll das Wissen genutzt werden, um einen Prototypen einer vollorganischen Radikalbatterie herzustellen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2248: Polymer-basierte Batterien
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Josef Granwehr