Self-Assembled Stable Radicals for Improved Battery Performance
Polymer Materials
Final Report Abstract
Die Suche nach der Möglichkeit, möglichst viel Energie auf möglichst wenig Raum möglichst günstig und möglichst umweltfreundlich zu speichern ist ein elementares Thema in der naturwissenschaftlichen Forschung dieser Tage. Während bei der Miniaturisierung von Handyakkus bei gleichbleibender Speicherdichte derzeit kein Weg an metallhaltigen Batterien (insbesondere Lithium-Ionen-Akkus) vorbei führt, lassen sich Kosten- und Umweltaspekte mit Polymerbatterien möglicherweise deutlich zufriedenstellender erfüllen. Eine wichtige Klasse im Bereich der Polymerbatterien sind solche, in denen „unreaktive“ (stabile) Radikale in hoher Dichte vorliegen. Derartige Batterien könnten ohne Metalle und der damit verbundenen Umweltverschmutzung beim Abbau oder der Gewinnung auskommen, und die Entsorgung wäre ohne die Erzeugung von Sondermüll rückstandslos durch Verbrennen möglich, wobei keine gefährlicheren Substanzen entstehen als beim Verbrennen von Plastikmüll. Bei der Entwicklung entsprechender Speichermedien aus Polymeren ist jedoch noch viel Arbeit nötig. Beispielsweise ist zum Realisieren einer auch nur ansatzweise akzeptablen Speicherdichte eine bessere Wechselwirkung der Polymere mit Elektrolytlösungen nötig, so dass sie sich nicht auflösen, Strom besser leiten können und mit Ionen günstig wechselwirken. Ein Ansatz, dies zu verwirklichen, ist die Synthese von Blockcopolymeren. In diesen lassen sich die Eigenschaften verschiedener Materialien zusammenbringen und somit kombinieren. Für die Kombination der Eigenschaften ist dann das räumliche Zusammenbringen der verschiedenen Komponenten auf kleinster Skala notwendig. Eine solche Phasentrennung von Blockcopolymeren mit stabilen Radikalen kann potentiell auch in weiteren Bereichen der Nanotechnologie von Interesse sein. Hier wurden verschiedene potentiell geeignete Blockcopolymere entwickelt und hergestellt. Die Phasentrennung wurde optimiert, wobei nicht jede Kombination zwischen Polymeren mit stabilen Radikalgruppen und anderen Polymeren in jeder Größenordnung möglich ist. Dennoch wurden verschiedene Nano-Strukturen realisiert, teils mit einer hervorragenden Ordnung, die in zukünftigen Experimenten nach Weiterbehandlung als Energiespeicher eingesetzt werden können. Zur weiteren Optimierung der Phasentrennung, insbesondere hinsichtlich möglicher industrieller Anwendungen, wurde ein Verfahren der Laserbehandlung von Blockcopolymer-Filmen angepasst und wichtige Erkenntnisse gewonnen. Die Phasenseparation wäre mit den Laser-Verfahren innerhalb einer Hundertstelsekunde möglich. Eine weitere Möglichkeit Phasentrennung in der Nano-Größenordnung zu realisieren ist, verschiedene Polymere direkt an oberflächenmodifizierten Materialien herzustellen, so dass beide Polymere an sehr nahe benachbarten Stellen anhaften. Die Entwicklung von dafür geeigneten Oberflächenmodifikatoren in Form von multifunktionellen Initiatoren wurde abgeschlossen und erste Charakterisierungen solcher phasenseparierten gemischten Oberflächen vorgenommen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden für die weitere Entwicklung zukünftiger Energiespeichersysteme von Bedeutung sein, weshalb in der Zukunft auch die weitere Forschung an ähnlichen Systemen in Deutschland fortgesetzt werden wird.
Publications
- Block Copolymers with Stable Radical and Fluorinated Groups by ATRP. MRS Communications 2015, 5, 441-446
Liedel C. , Moehle, A., Fuchs, G. D., Ober, C. K.
(See online at https://doi.org/10.1557/mrc.2015.50) - Design, Synthesis, and Use of Y-Shaped ATRP/NMP Surface Tethered Initiator. ACS Macro Letters 2015, 4, 606-610
Calabrese, D. R., Ditter, D., Liedel, C. , Blumfield, A., Zentel, R., Ober, C. K.
(See online at https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.5b00175) - Understanding of PS-b-PMMA phase segregation under laser-induced millisecond thermal annealing. Proc. SPIE 9423, Alternative Lithographic Technologies VII 2015, 942309
Jacobs, A. G., Liedel, C. , Ober, C. K., Thompson, M. O.
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2086057)
