Einzelionen-leitende zweidimensionale anionische kovalente organische Gerüstelektrolyte für Festkörperbatterien der nächsten Generation

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Heine
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551217520

Angesichts der wachsenden Nachfrage nach sauberer, nachhaltiger und erschwinglicher Energie bieten Batterien der nächsten Generation, die auf Festkörperelektrolyten (SSE) basieren, erhebliche Vorteile, z.B. erhöhte Sicherheit, große Spannungsbereiche und hohe Betriebstemperaturen. Die Sorge um die natürlichen Ressourcen hat auch dazu geführt, dass Batterien untersucht werden, die auf häufiger vorkommenden Metallen wie Na und K basieren. In dieser Hinsicht eignen sich anionische kovalente organische Gerüste (COFs) als potenzielle Festkörperleiter mit gut definierten Richtungskanälen, abstimmbaren funktionellen Gruppen und überlegener thermischer und elektrochemischer Stabilität. Allerdings sind deren Ionenleitungsmechanismen nicht gut verstanden. Wir schlagen daher vor, die Leitung von Li+, Na+ und K+ in zweidimensionalen (2D) anionischen COFs als geeignete SSEs für die nächste Generation von Festkörperbatterien zu untersuchen. Wir werden drei verschiedene Konzepte nutzen, von denen jedes mit einer Zielsetzung verbunden ist: (1) anionische Gerüstfunktionalität, (2) Porengröße und Porenwanddekoration und (3) ionische Flüssigkeiten (IL) als Gastmoleküle. Wir werden modernste Methoden der rechnergestützten Materialwissenschaft anwenden. Nach der strukturellen und elektronischen Charakterisierung (entweder als Isolator oder als Halbleiter mit breiter Bandlücke) wird der Ionentransportmechanismus mit Hilfe einer Kombination aus CI-NEB-Methode (Climbing Image Nudged Elastic Band) und WTMetaD-Simulationen (Well Tempered Metadynamics) untersucht. Der Mechanismus der Ionenleitung von Li+, Na+ und K+ in IL-vermittelten anionischen COFs (IL@COFs) wird mit Hilfe von ab-initio-Molekulardynamiksimulationen (AIMD) und der Analyse der Veränderung der Ionenleitfähigkeit gegenüber lösungsmittelfreien SSEs untersucht. Für die Geometrieoptimierung und die elektronischen Eigenschaften werden wir die bereits erprobte D3(BJ)-dispersionskorrigierte Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Methode verwenden, die im Vienna ab-initio Simulations-Paket (VASP) implementiert ist. Die Berechnungen des Ionentransports werden mit dem Softwarepaket CP2K durchgeführt. Die Analyse des Diffusionsmechanismus und der interstitiellen kristallographischen Positionen der einzelnen Diffusionspfade wird ein genaues Verständnis ermöglichen. Die Dynamik und die mikrostrukturelle Entwicklung während der Ionendiffusion in den konstruierten IL@SSEs werden untersucht, um auf molekularer Ebene Einblicke in den leichten Li-, Na- und K-Ionenverkehr zu erhalten, was den Weg für ein verbessertes Design von 2D-COF-basierten Elektrolyten hinsichtlich der optimalen Kombination zwischen dem COF-Skelett, dem Metallion und der IL ebnen wird. Vielversprechende Kandidaten für anionische COF-basierte SSEs werden mit unseren experimentellen Mitarbeitern ausgetauscht und für die Synthese ausgewählt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen