Kohlenhydraten-basierende Blockcopolymere als nachhaltige Zinkmikroanoden in wässrigen 3D-Mikrobatterien

• Antragsteller: Professor Dr. Kai Zhang; Minshen Zhu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455635425

Die schnelle Entwicklung miniaturisierter elektronischer Geräte erfordert Mikrobatterien mit hoher Energiedichte und kleinem Platzbedarf. Dafür wird die Entwicklung einer fortschrittlichen Mikrobearbeitungstechnologie erfordert, um den Platzbedarf einer Mikrobatterie zu minimieren. Gleichzeitig benötigt das Vorantreiben miniaturisierter elektronischer Geräte als tragbare Geräte hohe Sicherheitsstandards. Die Eigensicherheit und hohe Kapazität von wässrigen Zinkionenbatterien stellen als hervorragender Ersatz für Lithiumionenbatterien dar. Die Reversibilität von Zinkionenbatterien kann durch die Verwendung leicht saurer Lösungen als Elektrolyten erheblich verbessert werden. Die leicht saure Lösung führt jedoch zur Korrosion der Zinkanode, was die Zyklenstabilität der Mikrobatterie einschränkt. Daher ist eine zuverlässige Strategie zur Beseitigung von Korrosionsproblemen und zur Erhöhung der Reversibilität der Zinkanode in wässrigen Elektrolyten von großer Bedeutung.In diesem Projekt werden diese Herausforderungen addressiert, indem wir neue Kohlenhydraten-basierende Blockcopolymere in das neuartige 3D-Mikrobatteriedesign zur Herstellung von Hochenergie-Mikrobatterien integrieren. Verschiedene Copolymere werden mit Glucosederivaten synthetisiert, die mit funktionellen Gruppen modifiziert sind. Diese funktionellen Copolymere wirken als künstliche Interphasen für die Zinkmikroanode, die gleichzeitig eine "Zinkdecke" für einen hohen Kationentransport erzeugen und die Korrosion unterdrücken kann. Anhand den Monomeren aus Glucose werden der Effekt der Glucoseeinheiten und der eingeführten funktionellen Gruppen auf die Zinkreversibilität untersucht. Parallel zur Herstellung verschiedener Copolymere werden wir die Copolymere in die aufgerollte Nanotechnologie für Swiss-Roll-Mikroelektroden integrieren, die auf der mechanischen Umwandlung von Dünnschichtsystemen in 3D-Objekte basiert. Die mechanische Umwandlung wird durch Abstimmung des Kraftfeldes gut gesteuert, das durch die Quellfähigkeit einer Hydrogelschicht erzeugt wird. Gleichzeitig fungiert die Hydrogelschicht durch Quellen im wässrigen Elektrolyten direkt als Elektrolyt. Die enge Wechselwirkung zwischen Copolymeren und Hydrogelen ist für die strukturelle Stabilität während des Herstellungsprozesses und der anschließenden Batterietests von großer Bedeutung. Daher wird die topologische Haftung zwischen Copolymeren und Hydrogelen untersucht. Durch die Optimierung von Copolymeren und deren Haftung an Zink und Hydrogelen wollen wir eine hochreversible Zink-Swiss-Roll-Mikroanode entwickeln. Zur Herstellung der 3D-Mikrobatterien wird die Zink-Swiss-Roll-Mikroanode durch Kopplung mit einer Swiss-Roll-Mikrokathode auf Manganoxidbasis entwickelt. Die Kapazität und Zyklenstabilität von 3D-Swiss-Roll-Mikrokathoden werden optimiert, um das ultimative Ziel dieses Projekts zu erreichen: eine 3D-Mikrobatterie mit hoher Energieabgabe (>10 μWh) bei minimaler Stellfläche (<2 mm2) und hoher Stabilität (>500 Zyklen).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen