Übergangsmetalldisulfid/Graphen-Nanokomposite für Na-Ionen-Batterien: Design und elektronische Wechselwirkungen

• Antragsteller: Professor Dr. Clemens Laubschat
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449561509

Das Projekt befasst sich mit elektronischen Wechselwirkungen in Heterostrukturen von Übergangsmetalldisulfiden (TMD) und Graphen. Die quasi-zweidimensionale Schichtstrukturen, schwache Wechselwirkungen zwischen den Schichten und ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der TMDs bieten ein großes Potential für Anwendungen als Anodenmaterial für Natriumionenbatterien, die aufgrund der niedrigen Kosten und des hohen natürlichen Vorkommens eine vielversprechende Alternative zu Lithiumionenbatterien darstellen. Die schlechte elektrische Leitfähigkeit und das hohe Agglomeratrisiko reiner TMD-Elektroden kann durch den Einbau von Nanokohlenstoffphasen überwunden werden. Die synergetischen Wechselwirkungen von TMD- und Graphen-Nanohybridmaterialien für eine verbesserte elektrochemische Leistung in Lithium- und Natriumionenbatterien wurden in den letzten Jahren in einer schnell wachsenden Zahl wissenschaftlicher Publikationen nachgewiesen. Das vorliegende Projekt zielt auf die Untersuchung der physikalischen Prozesse ab, die bei der Na+-Einlagerung in TMD/Graphen-Verbundwerkstoffen auftreten, sowie auf ein detailliertes Verständnis der Beziehung zwischen (Mikro-)Struktur, Eigenschaften und elektrochemischer Leistung dieser Materialien. Wir konzentrieren uns auf Disulfide von drei Übergangsmetallen – Mo, W, und V - und ihre Verbundwerkstoffe mit Graphen. Das Projekt umfasst (i) die Ausarbeitung von Syntheseverfahren dieser Verbundwerkstoffe, (ii) die Charakterisierung ihrer Morphologie, Struktur und elektronischen Eigenschaften und (iii) Studien zu den Auswirkungen der Na-Einlagerung. In dem Projekt wird eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden angewandt, speziell hochauflösende Mikroskopie, optische Spektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie unter Verwendung von Labor- und Synchrotronquellen sowie ein theoretischer quantenchemischen Ansatz. Um die Na+-Diffusionsmobilität und die Zugänglichkeit aktiver Stellen in der Probenmatrix zu verbessern, werden Leerstellen- und Fremdatomdefekte in TMD-Verbundwerkstoffe eingeführt und die Auswirkungen dieser Modifikationen auf die strukturellen, elektronischen und leitenden Eigenschaften untersucht. Schließlich werden die TMD/Graphen-Materialien als Elektroden für Na-Ionen-Batterien bei variablen elektrochemischen Zyklusbedingungen getestet. Die chemische Stabilität der Elektroden wird durch Einwirkung von Luft untersucht. Die Reaktionsprodukte und die Auswirkungen der Na-Einlagerung werden mittels Festkörper-NMR untersucht. Die Ergebnisse werden im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit analysiert, die durch elektrochemische Impedanzmessung charakterisiert wird. Wir erwarten, dass das Design der TMD/Graphen-Verbundwerkstoffe, das im Projekt im Rahmen einer Optimierung der (Mikro-)Struktur und elektronischen Eigenschaften entwickelt wird, zur Entwicklung fortschrittlicher Elektrodenmaterialien für Naionenbatterien mit hoher Kapazität und stabilen Zyklen beitragen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Vladimirovich Okotrub, bis 3/2022