Development of improved lithium-ion batteries (LIB) by using charged lithium ion containing organic microporous polymer networks as a polyelectrolyte
Final Report Abstract
Das Vorhaben des Forschungsprojektes war es einen neuen effizienteren Feststoffelektrolyten zu konzipieren, auf Basis ionischer mikroporöser Polymere bzw. Polymernetzwerke. Dieses Forschungsvorhaben konnte erfolgreich umgesetzt werden. Dabei wurde eine neue Substanzklasse erschlossen, die der mikroporösen Polymere auf Basis von WCA-Aluminat-Wiederholungseinheiten, diese wurde zur Anwendung als Festelektrolyten zugänglich gemacht. Darüber hinaus sind solche Materialien auch für andere Anwendungen, wie beispielsweise Katalyse und Gasspeicherung bzw. Separierung äußerst interessant. Auf diesen neu entwickelnden Materialien wird momentan in Prof Arne Thomas Arbeitsgruppe weiter geforscht und zusätzlich sollen weitere Aluminat-MOFs synthetisiert werden, um diese auf einen möglichen Einsatz als Feststoffelektrolyt zu prüfen. Während des Forschungsstipendiums wurden drei amorphe mikroporöse Aluminat-Polymernetzwerke, ein kristallines Aluminat-MOF und ein Aluminat-PIM entwickelt, welche alle sehr gute bis befriedigende Ionenleitfähigkeiten aufwiesen und somit potenzielle Kandidaten für die Verwendung als Festelektrolyt sind. Aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Synthese sind solche Polymere auch für die Wirtschaft hochinteressant. Aus diesem Grund findet eine Erfindungsmeldung an der TU Berlin statt. Das Al-Td-MOF-1 besitzt die höchste Lithiumionenleitfähigkeit in der Reihe der vorgestellten Aluminat-Polymere und hebt sich auch aufgrund seiner Luftunempfindlichkeit stark von den anderen ab. Mit einer Ionenleitfähigkeit von 5,7 ± 1,9 × 10^-5 Scm^-1 besitzt das Al-Td-MOF-1 eine Ionenleitfähigkeit, die mit zu den besten Werten gehört, welche für MOFs, Borat-COFs und MPNs je publiziert wurden. Die Ionenleitfähigkeit des MOFs steigt mit der Temperatur sehr stark an. Das Al-Td-MOF zeigt eine hohe thermische Stabilität. Bis 600 °C konnten keine Anzeichen von Zersetzung beobachtet werden. Diese Eigenschaften bieten beste Voraussetzungen für eine wirtschaftliche bzw. industrielle Anwendung, da man immer mehr dazu übergeht, Feststoff-LIB bei hohen Temperaturen zu betrieben. Auch die zwei anderen Aluminat-MPNs besitzen eine gute Ionenleitfähigkeit, welche sich zwischen 1 und 2 × 10^-5 Scm^-1 bewegen und sind, aufgrund ihrer einfachen Synthesen, als potentielle Festelektrolyten gut geeignet. Das Konzept eines ionischen PIMs konnte realisiert werden. Das lösliche PIM konnte als dünne Schicht abgeschieden werden und besaß eine akzeptable Ionenleitfähigkeit. Somit konnte man die Hypothese bestätigen, dass solche Systeme zur Anwendung als Festelektrolyt potentiell verwendbar sind. Gleich zu Beginn meines Forschungsprojektes musst das Forschungsvorhaben bzw. die Herangehensweise geändert werden, da durch den erschienenen Artikel von Jeffrey Long ein großes Teil meiner vorgestellten Vorhaben hinfällig wurde und der andere Teil synthetisch nicht umsetzbar war. Aus diesem Grund wurde eine neue Substanzklasse entwickelt, basierend auf dem vorgestellten Konzept von ionischen Polymeren bzw. Polymernetzwerken mit WCA-Wiederholungseinheiten. Es wurden neue Aluminat-Polymere anstelle von Borat-Polymeren synthetisiert und untersucht.
Publications
- (2018) A Metal-Organic Framework with Tetrahedral Aluminate Sites as a Single-Ion Li+ Solid Electrolyte. Angewandte Chemie (International ed. in English) 57 (51) 16683–16687
Fischer, Sabrina; Roeser, Jérôme; Lin, Terri C.; DeBlock, Ryan H.; Lau, Jonathan; Dunn, Bruce S.; Hoffmann, Frank; Fröba, Michael; Thomas, Arne; Tolbert, Sarah H.
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201808885)
