Übergang zwischen elektrischer Doppelschicht und Faradayscher Ladungsspeicherung an elektrochemischen Grenzflächen im Nanoconfinement

• Antragsteller: Dr. Simon Fleischmann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513327636

Seit langer Zeit werden elektrochemische Ladungsspeicherprozesse entweder als elektrische Doppelschichtbildung oder als Faradaysche Redoxreaktion klassifiziert, je nachdem, ob es zur Ladungstrennung oder zum Ladungsübergang an der elektrochemischen Grenzfläche kommt. Diese klare Trennlinie zwischen beiden Ladungsspeichermechanismen kann jedoch verschwimmen, wenn die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt einer starken räumlichen Beengung unterzogen ist, die Ladungsspeicherung also im sog. „Nanoconfinement“ stattfindet. Dies ist typischerweise in der Größenordnung eines solvatisierten Ions, um etwa 1 Nanometer. Dies kann sich dadurch äußern, dass neuartige elektrochemische Eigenschaften auftreten, die sowohl Merkmale der elektrischen Doppelschicht, als auch der Faradayschen Reaktion miteinander vereinen. Die Ursprünge dieser manchmal als „Pseudokapazität“ bezeichneten Prozesse sind im jetzigen Stand der Forschung noch nicht geklärt. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, ein fundamentales Verständnis für elektrochemische Ladungsspeichervorgänge im Nanoconfinement zu erlangen. Dazu werden modellhafte, schichtstrukturierte Elektrodenmaterialien herangezogen, um den Einfluss der Nanoconfinement-Geometrie auf den konkreten elektrochemischen Prozess der Lithium-Ioneninterkalation zu untersuchen. Dabei soll beobachtet und verstanden werden, ob und wie Ladungsspeicherphänomene von der strikt binären Klassifizierung nach elektrischer Doppelschicht und Faradayscher Reaktion im Nanoconfinement abweichen können. Die Haupthypothese des Projekts ist, dass es einen kontinuierlichen Übergang zwischen der elektrischen Doppelschichtbildung und der Faradayschen Ladungsspeicherung gibt, welcher auf dem Solvatationsgrad der Ionen basiert, die in die schichtstrukturierte Elektrode interkaliert werden. Es wird erwartet, dass es einen Übergangsbereich gibt, in dem Ionen teilweise solvatisiert sind und pseudokapazitive Eigenschaften auftreten können. Zur experimentellen Untersuchung der Hypothese wird der Schichtabstand eines modellhaften Schichtmaterials, Titandisulfid, mittels chemischer Funktionalisierung systematisch variiert. Somit kann die Nanoconfinement-Geometrie im Zwischenschichtraum des TiS2 genau definiert werden. Es wird angenommen, dass größere Schichtabstände zur Interkalation von stärker solvatisierten Ionen führen wird, was zu einer Änderung der elektrochemischen Signatur führen wird. Diffraktion und spektroskopische Untersuchungen während des elektrochemischen Zyklierens werden Aufschluss über den mechanistischen Ursprung als Funktion der Nanoconfinement-Umgebung geben. Als Ergebnis des Projekts werden neben dem fundamentalen Verständnis auch Designkriterien für schichtstrukturierte Elektrodenmaterialien erlangt, welche pseudokapazitive elektrochemische Eigenschaften hervorrufen können. Diese sind besonders für Interkalationsreaktionen von großem Interesse, da sie eine Kombination von hoher Ladungsdichte mit schneller Ladefähigkeit bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen