Synthese und frühzeitiges LIfe-cycle Assessment von recyclierbaren organIschen Kathoden (SYNERGISTIC)

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Leker; Professor Dr. Klaus Meerholz
• Subject Area: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Term: since 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 535410398

Wiederaufladbare Batterien mit hohen Energie- und Leistungsdichten werden für die zunehmende Elektrifizierung verschiedenster Industriesektoren benötigt. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) mit anorganischem Kathodenmaterial dominieren zurzeit den Markt. Organische Batterien sind eine alternative Materialklasse, um Umweltbedenken zu verringern, da sie potenziell biobasierte Materialien oder organische Chemie aus zirkulärer Wirtschaft nutzen. Sie versprechen darüber hinaus leichtes Recycling, ein Aspekt, der jedoch noch nicht systematisch untersucht worden ist. SYNERGISTIC hat drei übergeordnete Ziele: (1) Die Einführung von neuen Kathodenmaterialien, die umweltfreundlich produziert werden können, Kontrolle über die Morphologie ermöglichen und welche potenziell recycled werden können. Wir werden die chemische Synthese mit einem Life-Cycle Assessment (LCA) verbinden, um die Synthesewege zu verbessern. (2) Durch atomistische Modellierung soll ein fundmentales Verständnis über die elektronischen und ionischen Transportmechanismen als Funktion von der Morphologie, vom Dotierungsgrad und von der Temperatur erlangt werden. Wir werden die Simulationsdaten mit passenden Modellexperimenten unterstützen, um morphologische und Ladungstransporteigenschaften für zukünftige redox-aktive organische Systeme vorherzusagen. (3) Schließlich werden wir demonstrieren, dass die neuartigen Materialien, die unter (1) entwickelt wurden, aus einer Knopfzelle recycled werden können. Unsere LCA-Analyse wird die Grenzen verschiedener End-of-Life Optionen aufzeigen. Gebrauchte Zellen werden zerlegt und das Redoxmaterial durch Solvolyse recycled. Zerfallsprodukte werden analysiert, um den Degradationsmechanismus zu verstehen, was weitere Verbesserungen ermöglicht. Darüber hinaus wird das recycelte Material genutzt, um erneuerte („refurbished“) Zellen herzustellen. Dies wird dazu dienen, zu zeigen, wie das Potential für zirkuläre Wirtschaft bei organischen Batterien ausgeschöpft werden kann. Die fortlaufende engmaschige Rückkopplung zwischen Synthese, atomistischer Modellierung, Bauteilherstellung und LCA wird das Grundlagenverständnis sowie umweltfreundliche Herstellungswege ausweiten.

• DFG Programme: Schwerpunktprogramme
• Subproject of: SPP 2248: Polymer-basierte Batterien
• International Connection: Italien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Daniele Fazzi