Photoaktive Elektrodenmaterialien und multifunktionale Elektrolyte für multimodale Energiespeicherung in Li-Ionen Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Sanjay Mathur
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514845508

Selbsterhaltende elektrochemische Energiespeicher sind entscheidend, um die Barrieren der Energiewende hin zu einer zukünftigen nachhaltigen Gesellschaft abzubauen. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien stellen eine Klasse von Energiespeichern dar, die aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Ratenfähigkeit und Zuverlässigkeit weit verbreitet sind. Um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, - also die Batterie zu laden - werden immer externe Potentiale benötigt. In diesem Zusammenhang stellen photoaufladbare Batterien, die auf multifunktionellen Elektroden basieren, die sowohl photo- und elektrochemische Eigenschaften kombinieren, eine neuartige Energiespeichertechnologie dar, um direkt Sonnenenergie in chemische Energie zu speichern. Im Rahmen dieses bilateralen Projekts werden neue Elektrodenmaterialien (Deutsches Team) und fotostabile Elektrolyte (Japanisches Team) untersucht, um photo-wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, die direkt mit sichtbarem Licht aufgeladen werden können. In photo-wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien wird die Hinwärtsbewegung von Li+ durch Photooxidation von Elektrodenmaterial gefördert, jedoch sind die mechanistischen Wege (z. B. Wechselwirkung der Bandlücke der Photoelektrode und der Batteriespannung) für die photoinduzierte Li+ Extraktion aus der Elektrode bisher nur unzureichend verstanden. Obwohl es bereits einige Studien über photoschaltbare Elektrodenmaterialien gibt, ist die Rolle des flüssigen Elektrolyten, der die photoinduzierte Li + -Extraktion beeinflusst bisher nicht untersucht. Die Originalität dieses Projekts liegt in seinem multidisziplinären Ansatz, bei dem sich die Expertise des japanischen Teams in der Elektrolytentwicklung und Lösungs-/Grenzflächenelektrochemie (PI: Prof. Y. Yamada) mit der Materialentwicklungs- und Integrationskompetenz des deutschen Teams (PI: Prof. S. Mathur) ergänzt, um gemeinsam Fotobatterien zu realisieren. Das Ziel, die Systemeffizienz zu maximieren, erfordert eine Anpassung der Elektrodenmaterialien als auch von Elektrolyten, um die Li + -Extraktion zu beschleunigen und die Rekombination von photoangeregten Spezies zu verhindern, die mit einem herkömmlichen Ansatz, der nur auf Elektrodenmaterialien basiert, nicht erreicht werden kann. Zu den spezifischen Forschungszielen dieser Anwendung gehören (i) die Herstellung von lichtaktiven Materialien und deren Integration in Elektroden, (ii) die Herstellung passender Elektrolyte und deren elektrochemische Alalyse, (iii) -Operando-Studien zu Grenzflächen-Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkungen unter Beleuchtung und (iv) die Validierung in der Gesamtzelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Yuki Yamada, Ph.D.