2D/1D-Nanomaterialkomposite zur Anwendung als Energiespeicher

• Antragsteller: Dr. Kevin Synnatschke
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467814954

Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin Hybridelektroden aus ein- und zweidimensionalen (1D/ 2D) Nanomaterialien zur Energiespeicherung in Form von Li/Na-Ionenbatterien herzustellen. Übergangsmetall hexathio-/hexaseleno-diphosphate (2D) werden hierzu unter Inertgas Bedingungen flüssigphasen-exfoliiert und über Zentrifugationsmethoden größenselektiert, um Komposite verschiedener Größen des 2D Materials mit Kohlenstoffnanoröhren (1D) zugänglich zu machen.Kompetitive Anwendungen basierend auf Nanomaterialsystemen setzen voraus, dass synergistische Effekte zwischen den verschiedenen Komponenten verstanden und ausgenutzt werden. Um die Entwicklung von Hochleistungselektroden zu rationalisieren sind systematische Studien zu Einflüssen der verschiedenen Parameter, wie beispielsweise die Nanopartikelgröße, Mischverhältnis, Interkalat, etc. erforderlich.Zur Optimierung der Anodenleistung sollen zunächst systematisch variierende Mischverhältnisse von Kohlenstoffnanoröhren mit den jeweils verschiedenen Größen der isolierten Nanoplättchen mit getestet werden. Geometrische Einflüsse auf die Wechselwirkung zwischen Nanoröhrchen und 2D Material werden zuerst an einem bereits durch den Antragssteller analysierten Modellsystem (Ni2P2S6) untersucht.Die hergestellten Elektroden sollen vor und nach der Verwendung in experimentellen Li- und Na-Ionenbatterien jeweils mikroskopisch, spektroskopisch, sowie auch mechanisch und elektronisch vollständig charakterisiert werden. Dies wird es ermöglichen Zersetzungseffekte durch die Materialprozessierung von Effekten durch die Gerätenutzung abgrenzen zu können. Diese experimentellen Ergebnisse stellen eine wichtige Grundlage für die Optimierung der makroskopischen Elektrodenstruktur dar und werden es erlauben weitere Kandidaten aus den Strukturanalogen zu Ni2P2S6 für Energiespeicheranwendungen in Hybridanoden zu implementieren. Für alle hergestellten Elektroden soll eine vollständige Charakterisierung durchgeführt werden, um einen soliden Vergleichsmaßstab zu generieren. Auf dieser Basis können fundamentale Materialeigenschaften, sowie die maßgeblichen Einflüsse auf die Interkalationschemie von strukturanalogen Verbindungen untersucht werden. Die geplanten Experimente sollen das Verständnis der Interkalationschemie von van der Waals Kristallen verbessern, was eine gezielte Bestimmung und Implementierung von potentiell besonders geeigneten Materialien für neuartige Hochleistungnsanoden erlauben wird. Inertgas Experimente sollen für diese Materialien unter atmosphärischen Bedingungen wiederholt werden, um die Stabilität der Elektroden in realistischen, industriell relevanten Bedingungen bewerten und weiter optimieren zu können.Die Charakterisierung der Elektroden soll jeweils vor und nach Ladungs- und Entladungszyklen erfolgen und mikroskopische, spektroskopische, elektronische und mechanische Messmethoden berücksichtigen, um Änderungen in der chemischen Komposition, sowie in der Morphologie zu adressieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Irland
• Gastgeber: Professor Jonathan Coleman, Ph.D.