Einsichten in die mechanischen Eigenschaften polymerer Materialien in aufstrebenden elektronischen Anwendungen - von der Molekülebene zur Anwendung

• Antragsteller: Dr. Lukas Michalek
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456522816

Um die steigende Nachfrage nach Mobilelektronik zu ermöglich, werden geeignete Energiespeichersysteme benötigt. Die Anforderungen an solch neuartiger Batterietechnologie ist umfangreich aufgrund des erhöhten Stromverbrauchs moderner elektronischer Geräte und des wachsenden Bedarfs an hohen Energiedichten. Leistungsstarke kostengünstige Batterien mit hoher spezifischer Kapazität und erhöhter Lebensdauer werden dringend benötigt. Elektroden aus reinem Lithium sind eine vielversprechende alternative zu üblich verwendeten Elektrodenmaterialien. Jedoch limitiert die natürlich gebildete instabile Festelektrolyt-Interphasenschicht (SEI) in Kombination mit der unkontrollierten Bildung von Lithiumdendriten die Anwendung von Lithiummetallanoden. Durch direktes Aufbringen einer adaptiven Polymerbeschichtung auf Lithiummetallelektroden kann die Instabilität der SEI und die damit einhergehende Instabilität der Coulomb-Effizienz verbessert werden. Der vorteilhafte Einfluss der verwendeten Polymerbeschichtungen auf die Batterieleistung ist nicht zu leugnen, allerdings fehlt noch ein genaues molekulares Verständnis für den beobachteten Effekt. Die präzise Charakterisierung der Mechanik, von der molekularen bis zur Geräteebene, erlaubt die Korrelation zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Geräteleistung und ermöglicht die Entwicklung neuartiger Polymerbeschichtungen für Lithiummetallelektrodenbatterien.Ein besseres Verständnis der Polymere und der inhärenten Materialeigenschaften ist unerlässlich für die Entwicklung neuer Polymerbeschichtungen für Batterieanwendungen. Insbesondere die Einflüsse der chemischen und physikalischen Eigenschaften auf die Leistung einer Batterie sind von höchstem Interesse. Durch die Implementierung schwacher und starker Bindungsstellen in Polymernetzwerken kann eine hervorragende Energiedissipation in Kombination mit einer außergewöhnlichen Materialintegrität erreicht werden, was zu zähen hoch dehnbaren selbstheilenden Elastomeren führt. Die Untersuchung von Polymermaterial auf molekularer Ebene ist hierfür unabdingbar. Das beantragte Forschungsprojekt konzentriert sich daher auf die Analyse mechanischer Eigenschaften, durch präzise Untersuchung der Molekülkettenmechanik (Teil I) bis hin zur Charakterisierung der Nanomechanik in Polymernetzwerken (Teil II). Die mechanischen Eigenschaften der getesteten Makromoleküle und Polymernetzwerke werden mit der Leistung der Batterie korreliert (Teil III). Das gewonnene Verständnis wird anschließend genutzt, um neue Materialien mit höherer Leistung in elektronischen Geräten zu entwickeln (Teil IV). Die eingeführte Feedbackschleife bietet einen systematischen Weg zur Verbesserung der Leistung einer Batterie.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Zhenan Bao, Ph.D.