Graphensäure / MXen Heterostrukturen für Lithium- und Natrium-Ionen Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471730733

GRAPhMAX adressiert die Entwicklung hochperformanter organischer Anode für Lithium-Ionen Batterien und Natrium-Ionen Batterien. Hierbei kommt Graphensäure als aktives Elektrodenmaterial zum Einsatz in Form freistehender Elektroden mit hoher Elektrodenmasse pro Fläche. Graphensäure entfaltet dabei seine exzellenten Elektrodeneigenschaften erst in der Kombination mit MXenen, indem kovalente und nicht-kovalente Heterostrukturen gebildet werden. MXene und Graphensäure können im Verbund eine starke Synergie bilden und positive Eigenschaften, wie spezifische Kapazität und elektrische Leitfähigkeit ideal miteinander verbinden.Die Eigenschaften von MXenen sind stark von der Oberflächenchemie abhängig. Theoretisch haben MXene eine metallartige elektrische Leitfähigkeit von bis zu 15100 S/cm, was ein vielfach höherer Wert ist als der von Graphensäure (ca. 0,25 S/cm). MXene (wie auch Graphensäure) können aus vielversprechendes Elektrodenmaterial eingesetzt werden und freistehende Elektroden bilden, welche im Gegensatz zu konventionell gerakelten Elektroden eine hohe Massenbeaufschlagung ermöglichen. MXene sind jedoch nicht für eine besonders hohe elektrische Kapazität bekannt; so wurde für Ti2C-MXen weniger als 200 mAh/g bei einer Rate von 30 mA/g gemessen. Ti3C2-MXen zeigt sogar nur typische Werte von 100 mAh/g bei einer Rate von 30 mA/g. MXene können nur durch kontrolliertes entschichten eine höhere Leistung von beispielsweise 410 mAh/g bei ca. 400 mA/g erreichen. Dies ist auf die bessere elektrochemische Adressierung von Redox-Zentren und die bessere Nutzung der MXen-Oberfläche zu erklären. Graphensäure dagegen weist keine ausreichen hohe elektrische Leitfähigkeit aus, erfordert jedoch keine aufwändige Entschichtung um als vielversprechendes Elektrodenmaterial genutzt werden zu können.Das Projekt wird MXen/Graphensäure-Heterostrukturen entwickeln, indem geeignete Hybridisierungsmethoden untersucht werden. Das Ziel ist dabei eine elektrisch gut leitfähige, freistehende Elektrode zu erhalten, welche zugleich eine sehr hohe elektrische Kapazität für Lithium- und Natrium-Ionen-Batterie-Zellchemie aufweisen. Es kommen dabei sowohl kovalente als auch nicht-kovalente Synthesemethoden zum Einsatz sowie umfangreiche elektrochemische Messmethoden zur Erstellung umfassender Leistungskennwerte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Kooperationspartner: Professor Dr. Aristides Bakandritsos