EDLstruct - Der Einfluss der porösen Struktur von Kohlenstoffelektroden und Elektrolyteigenschaften auf die Bildung und Zusammensetzung der elektrolytischen Doppelschicht

• Antragsteller: Professor Dr. Andrea Balducci
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380691101

Eine der vielsprechenden Strategien zur schnellen Energiespeicherung, und somit zur Verwirklichung von Hochleistungsenergiespeichern, stellt die Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht (electrical double-layer - EDL) in einer porösen, leitfähigen Elektrode, wie z.B. Aktivkohlenstoff (activated carbon - AC), dar. Existierende Modelle von EDLs, die die Grenze zwischen Elektrolyt und Elektrode darzustellen versuchen, stellen diese Grenze als glatte und flache Oberfläche dar, wodurch diese Modelle für AC-Elektroden, die zum größten Teil mikroporös sind (Porengröße < 2 nm), ungeeignet sind. Vor kurzem wurden mittels in-situ Techniken wichtige Informationen über das Doppelschichtverhalten in AC-Elektroden erhalten, wobei allerdings nur ein spezifischer Kohlenstoff und ein spezifischer Elektrolyt verwendet wurden.Aus diesem Grund sollen im EDLstruct Projekt eine Vielzahl von organischen Elektrolyten mit einer Vielzahl von Aktivkohlenstoffen, deren Porosität exakt definiert ist, kombiniert werden mit dem Ziel i) den Einfluss von Porengröße und Molekülgröße auf das Lösungsmittel/Ionen Verhältnis unter Polarisierung zu untersuchen und ii) Zusammenhänge zwischen der Struktur der EDL und dem Rückgang der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Kohlenstoff basierten Elektroden in Abhängigkeit der Temperatur zu finden.Um dieses Projekt realisieren zu können, müssen Fachkenntnisse in Kohlenstoffmaterialien (Arbeitsgruppe PUT) als auch Elektrolyte (Arbeitsgruppe FSU Jena) gebündelt werden. Zusätzlich sind in-operando Techniken (Arbeitsgruppe PUT) notwendig, um die Effekte von molekularen Fließbewegungen und die Auflösung der EDL während der Polarisierung der Elektroden aufzuzeichnen. Die Forschungszielvorgaben werden durch die Verbindung von fünf Arbeitspaketen (WP) erreicht. Die Gruppe der FSU Jena wird eine gewisse Anzahl von nichtwässrigen Elektrolyte konzipieren (WP1), während die Gruppe der PUT ACs mit unterschiedlicher Struktur herstellen und charakterisieren wird. Die elektrochemische Leistungsfähigkeit der ACs in Kombination mit den ausgewählten Elektrolyten wird von beiden Gruppen untersucht. Um Informationen über die Doppelschichtausbildung zu erhalten, führt die PUT Gruppe post-mortem Analysen, wie Temperatur-programmierte Desorption der polarisierten Elektroden und in-operando elektrische Dilatometrie aus (WP3). Der Einfluss der Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkung auf die thermische Stabilität der Doppelschicht wird durch die Gruppen der FSU Jena (TGA/DSC) und der PUT (elektrochemische on-line Massenspektrometrie) in WP4 untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden in WP5 kritisch diskutiert und bieten die Grundlage für Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und Präsentationen auf internationalen Fachtagungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Francois Beguin; Dr.-Ing. Paula Ratajczak, Ph.D.