Elektrogesponnene, ionenleitfähige Polymermembranen als Festkörperelektrolyte

• Antragsteller: Professor Dr. Tom Nilges; Professor Dr. Leo van Wüllen
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421749423

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts „Elektrogesponnene, ionenleitfähige Polymermembranen als Festkörperelektrolyte“ wurden Li-, Na- und Mg-Polymerelektrolyte untersucht. Als Polymere kamen im wesentlichen Polyethylenoxid (PEO) und Polyacrylnitril (PAN) zum Einsatz. Nach Variation der Darstellungsmethoden, Leitsalz- und Weichmacheradditivkonzentrationen und dem Eintrag von keramischen, nichtleitenden Additiven konnten in allen Systemen die elektrochemischen Eigenschaften und die Ionendynamik eingehend untersucht werden. Hierzu wurde Methodenentwicklung beim Elektrospinning und der NMR-Spektroskopie durchgeführt, um die Systeme erfolgreich darzustellen und zu charakerisieren. Auf Seiten der FK-NMR kamen neben temperaturabhängigen statischen 7Li- und 19F-NMR-Experimenten zur Charakterisierung der Kationen- und Anionendynamik auch temperaturabhängige 13 C-MAS-NMR-Experimente (reines MAS, mit 1H-Entkopplung, als CPMAS-Experiment), die Informationen über die Segmentdynamik der PEO-Ketten liefern. PAN nimmt in den untersuchten Systemen die Rolle als Matrix ein, in der die PEO-Ketten eingelagert sind, ohne jeden weiteren aktiven Beitrag zur Ionenbewegung zu liefern. Diese gezielte Phasensegregation konnte zur Steigerung der Leitfähigkeit genutzt werden. Mit Leifähigkeiten im Bereich von 10^-5 bis 10^-3 S cm-1 konnten effiziente PEO/PAN Polymerelektrolyte entwickelt werden, die durch den Einsatz von PAN hinsichtlich ihres thermischen Einsatzfensters nun oberhalb des PEO Schmelzpunktes verwendbar sind. Die aus den NMR-Messungen abgeleiteten Ergebnisse zur Dynamik in den Polymersystemen konnte erfolgreich mit Leitfähigkeitsdaten korreliert werden. Zu Vergleichszwecken wurde neben dem Elektrospinning auch die Herstellungsroute über das Heisspressen getestet. Auch nach dieser Methode gelingt die Synthese von viel versprechenden stabilen Membranen, deren Ionenleitfähigkeit fast an die nach der ES Methode hergestellten heranreicht, wobei sich diese Methode hinsichtlich der Kontrollierbarkeit des Gehalts an tatsächlich eingebautem Weichmacher (Succinonitril) deutlich robuster zeigt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Effect of nanostructured Al2O3 on poly(ethylene oxide)-based solid polymer electrolytes. Zeitschrift Für Naturforschung B, 76(10–12), 615–624.
  Walke, Patrick; Kirchberger, Anna; Reiter, Felix; Esken, Daniel & Nilges, Tom
  
• Fast Magnesium Conducting Electrospun Solid Polymer Electrolyte. Batteries & Supercaps, 5(12).
  Walke, Patrick; Venturini, Janio; Spranger, Robert J.; van Wüllen, Leo & Nilges, Tom
  
• Novel electrospun PAN-based solid polymer electrolytes for lithium-ion batteries ACS , March 2022, San Diego. (Posterbeitrag)
  A. Kirchberger, P. Walke, J. Venturini & T. Nilges
  
• “Electrospun Polyethylene Oxide based Sodium Ion Conductors for All-Solid-State Sodium Batteries” (Posterbeitrag) ECS Prime, Honolulu, Oktober 2024
  D. F. Weindl, D. Sarkar & T. Nilges