Transport von Lithiumionen in selbstorganisierten zwitterionischen Nanokanälen mit ionischer Flüssigkeit

• Antragstellerin: Professorin Dr. Monika Schönhoff
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509154483

Elektrochemische Energiespeichersysteme der nächsten Generation, wie z.B. Li-Metall-Batterien, benötigen spezifische Elektrolyte, die den schnellen, selektiven Transport einer Ionenspezies (z.B. Li+) befördern, gleichzeitig aber mechanisch hinreichend robust sind, um Dendritenwachstum oder Auslaufen des Elektrolyten zu verhindern. Die Selbstorganisation von Copolymeren aus inkompatiblen Monomeren ist ein vielversprechender Ansatz, diese gegensätzlichen Anforderungen durch eine räumliche Trennung in feste, strukturbildende sowie flüssige, ionenleitende Domänen zu vereinen. In bisherigen Blockcopolymer-Elektrolyten mit Leitsalz wurden allerdings noch keine hinreichenden Leitfähigkeiten erreicht. Eine besondere Perspektive stellen bikontinuierliche Strukturen mit leitfähigen Kanälen dar, da hier die Möglichkeit besteht, die räumliche Einschränkung mit Grenzflächeneffekten, die selektiven Ionentransport fördern, zu vereinen. Ansatz dieses Projektes ist es, amphiphile Kammpolymere aus hydrophoben Makro-monomeren, die zwitterionische (ZI) Gruppen als strukturbildendes Element enthalten, mit Flüssigelektrolyt (ILE) aus Li-Salz in ionischer Flüssigkeit zu quellen, um flüssige, ionenleitende Kanäle von nm-Dimensionen in fester Matrix zu erhalten. Ziel ist es, die Hypothese einer selektiven Förderung des Li+-Transportes durch ZI-dekorierte Nanokanäle in diesen neuartigen nanostrukturierten Elektrolyten (NSE) zu überprüfen. Es wird dabei untersucht, wie sich die ZI-Gruppen auf den Li+-Ionentransport in Nanokanälen unterschiedlicher Radien auswirken, um das Wechselspiel von räumlicher Einschränkung und Beeinflussung des Transports durch Grenzflächenwechselwirkung aufzuklären. Die räumliche Einschränkung wird dazu durch (i) Copolymer-Architektur, (ii) Quellungsgrad (ILE-Anteil), sowie (iii) Rigidität der strukturellen Domänen systematisch variiert. Der Ladungstransport wird durch Impedanzspektroskopie und Polarisationsmessungen, die Beiträge einzelner Ionenspezies durch 7Li, 19F, and 1H gepulste Feldgradienten-NMR Diffusion sowie elektrophoretische NMR (eNMR) charakterisiert. Es wird erwartet, daß die Nanostruktur einen wesentlichen Einfluß auf ionische Transport¬mechanismen hat. Strukturelle Untersuchungen (WAXS, TEM, DSC, Rheologie) korrelieren begleitend die Kanaldimensionen mit dem beobachteten Transportverhalten. Es wird erwartet, daß die hier eingeführten NSE mit ZI-dekorierten Nanokanälen eine zukunftsträchtige Strategie darstellen, um selektiv den Ionentransport anvisierter Spezies zu fördern. Während sich das vorliegende Projekt auf Li+-leitende NSE fokussiert, kann das Konzept in Zukunft eine Plattform zur Entwicklung nanostrukturierter Materialien für den Transport anderer Kationen (Na+, H+) oder Anionen in Energiespeichermaterialien darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Ayse Asatekin, Ph.D.; Professor Matthew J. Panzer, Ph.D.