Organische Kathodenmaterialien für Magnesiumbatterien

• Antragsteller: Dr. Clemens Liedel
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390075497

Neue regenerative Energiequellen werden in Deutschland derzeit sowohl politisch als auch privat gefordert. Viele davon, zum Beispiel Wind- oder Solarenergie sind jedoch nicht kontinuierlich verfügbar, was die Notwendigkeit der Forschung an neuen Energiespeichern begründet. Auch für den forcierten Ausbau der Elektromobilität oder für unbemannte Flugobjekte im privaten, privatwirtschaftlichen, öffentlichen oder militärischen Bereich sind derzeitige Energiespeicher aufgrund der begrenzten Energiedichte und damit verbunden kurzen Reichweite oft mangelhaft. Magnesium ist in der Erdkruste nicht nur deutlich verbreiteter, günstiger und weniger gefährlich als Lithium, sondern aufgrund der höheren Ladungsdichte bei nur geringfügig weniger negativem Standardelektrodenpotential auch vielversprechend für eine zukünftige Generation aufladbarer Batterien. Neben der unbefriedigenden Stabilität vieler Elektrolyte in Kontakt mit Magnesiumanoden stellen die langsame Kinetik, schlechte Reversibilität und geringe Dichte der Magnesiumeinlagerung ins Kathodenmaterial allerdings die Hauptprobleme für eine Realisierung derartiger Batterien dar. Problematisch für eine schnelle Einlagerung und damit mögliche schnelle Lade- und Entladevorgänge, wie sie unter anderem in der Elektromobilität erforderlich sind, ist die hohe Ladungsdichte des zweifach positiv geladenen Magnesiumions. Daher werden als alternatives Konzept zu derzeit verwendeten Interkalationselektroden hier organische polymere Elektrodenmaterialien untersucht. Durch eine große spezifische Oberfläche findet die Wechselwirkung von redoxaktiven Gruppen im Polymer mit Magnesiumionen nur an der Grenzfläche zum Elektrolyt statt, wodurch schnellere Lade-/Entladevorgänge ermöglicht werden sollen. Als redoxaktives Polymer wird das in der Natur im Überfluss vorhandene Lignin verwendet. In der Grundlagenforschung an organischen Batterien wird es bereits in Verbindung mit leitfähigen Polymeren verwendet. Auch hier ist jedoch eine große spezifische Oberfläche wichtig. Um eine solche zu realisieren sollen in diesem Antrag poröse leitfähige Ligninfasern durch Elektrospinnen erzeugt werden. Dazu wird Lignin zusammen mit einem wasserlöslichen Hilfspolymer und einem leitfähigen Polymer, dessen Precursor oder leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen gesponnen und das Hilfspolymer anschließend herausgelöst. Das Projekt behandelt verschiedene Aspekte von Lignin. Einerseits geht es um das Polymermaterial bzw. die erhältlichen Strukturen und die Strukturerzeugung aus drei verschiedenen Polymeren. Andererseits stehen die Elektrochemie von Lignin und seine Wechselwirkung mit Ionen im Vordergrund. Die Kombination beider Aspekte ermöglicht die Schaffung biobasierter polymerer Elektrodenmaterialien. Durch ein besseres Verständnis elektrochemischer Magnesiumleitungs- und -abscheidungsvorgängen in Polymermaterialien und komplexen Umgebungen wird ein wichtiger Schritt hin zu künftigen Energiespeichern getan.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen