Plastisch-kristallline Festkörper-Elektrolyte

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Peter Lunkenheimer
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315230498

Der Einsatz von Elektrolytmaterialien mit hoher ionischer Leitfähigkeit ist essentiell für verschiedene Anwendungen zur Energiespeicherung und -wandlung wie z.B. Akkumulatoren, Brennstoffzellen und Superkondensatoren. Die nicht-kontinuierliche Natur von Solar- und Windenergie und der zukünftige Erfolg der Elektromobilität erfordern deutliche Fortschritte in Technologien zur Energiespeicherung. Daher ist die Entwicklung besserer Elektrolyte ein Schlüssel für die nachhaltige Energieversorgung von morgen. Die neuste Entwicklung in diesem Feld, die im Rahmen dieses Projektes weiter verfolgt werden soll, sind sogenannte plastische Kristalle, dotiert mit Salzen zur Erzeugung ionischer Ladungsträger. Die Moleküle in plastischen Kristallen zeigen freie Reorientierungsbewegungen. Es wird vermutet, dass dieser Effekt, mittels eines "Drehtür"-artigen Mechanismus, der Grund für die überraschend hohe ionische Leitfähigkeit einiger Mitglieder dieser Materialklasse ist. Plastische Kristalle sind Festkörperelektrolyte und haben daher klare anwendungsrelevante Vorteile gegenüber den weitverbreiteten flüssigen Elektrolytmaterialien, die derzeit in der Batterietechnologie verwendet werden. Für ihre tatsächliche technische Anwendbarkeit ist allerdings eine weitere Optimierung ihrer Eigenschaften notwendig.Kürzlich wurde in unserer Arbeitsgruppe beim Hinzufügen eines zweiten, verwandten Materials mit größeren Molekülen zu dem bislang besten bekannten plastisch-kristallinen Festkörperelektrolyten ein enormer Anstieg der Leitfähigkeit gefunden. Wir glauben, dass dieser Mischungseffekt, der sich gut innerhalb des "Drehtür"-Bildes verstehen lässt, der Schlüssel zur Eignung plastischer Kristalle für Anwendungen in der Energietechnologie ist. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir diesen Weg zur Entwicklung besserer Festkörperelektrolyte weiter erforschen. Zu diesem Zweck planen wir die Untersuchung der Eigenschaften verschiedener plastisch-kristalliner Mischsysteme, wobei Mitglieder verschiedener Klassen von plastischen Kristallen für verschiedene Arten und Konzentrationen von Salzen erfasst werden sollen. Insbesondere planen wir die Charakterisierung der Proben mittels dielektrischer Spektroskopie, ergänzt durch Dynamische Differenzkalorimetrie und Cyclovoltammetrie. Neben der genauen Detektion der intrinsischen Leitfähigkeit ist dielektrische Spektroskopie ideal geeignet, um Aufschlüsse über die mikroskopischen Mechanismen des ionischen Ladungstransports in plastischen Kristallen zu erhalten. Diese Methode ist nämlich sowohl auf die Reorientierungsdynamik der Moleküle als auch die Translation der Ionen sensitiv, wobei in plastischen Kristallen für beide Bewegungen eine enge Kopplung vermutet wird. Ein Ziel dieses Projektes ist das Erreichen eines besseren Verständnisses des mikroskopischen Ladungstransport-Mechanismus in plastischen Kristallen. Zudem sollen Wege zur Optimierung ihrer ionischen Leitfähigkeit bis hin zu technisch relevanten Werten gefunden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen