Untersuchung des komplexen Wechselspiels zwischen Struktur und Stabilität von Kohlenstoffmaterialien in elektrochemischen Systemen am Beispiel der Vanadium-Fluss-Batterie - CarboDeg

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Bron
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520072569

Kohlenstoffmaterialien spielen in Vorrichtungen der elektrochemischen Energiewandlung wie z. B. Batterien oder Brennstoffzellen eine wesentliche Rolle. Insbesondere als Elektrodenmaterialien sind ihre Eigenschaften zentral für die Effizienz des Wandlers. Während umfangreiche Forschung darauf abzielt, Materialien mit hoher Aktivität für den jeweiligen Wandlungsprozess zu entwickeln, spielt die Stabilität der Materialien häufig nur eine untergeordnete Rolle oder wird lediglich phänomenologisch betrachtet. Das Projekt soll dazu beitragen, diese Lücke zu schließen. In diesem zunächst sehr grundlegend orientierten Projekt soll die Stabilität von Kohlenstoffmaterialien in wässrigen elektrochemischen Systemen unter unterschiedlichen Bedingungen untersucht und ein molekulares Bild über die für Alterung und Degradation relevanten Prozesse erarbeitet werden. Um zu belastbaren Aussagen zu kommen, werden zwei zentrale Strategien verfolgt: zum einen werden für die Untersuchung wohldefinierte Kohlenstoffmaterialien steigender Komplexität ausgewählt, um nach Art eines Brückenschlags von den Modellmaterialien wie z. B. hoch orientiertem Graphit zur Materialien des praktischen Einsatzes wie z. B. Industrierußen übergehen zu können. Die Verwendung von Modellmaterialien erlaubt die Betrachtung einzelner Aspekte der Alterung/Degradation, die an komplexeren Materialien häufig parallel auftreten und nicht separierbar sind. Zum zweiten sollen leistungsfähige in situ-Techniken (insbesondere in situ-Ramanspektroskopie und in situ-Infrarotspektroskopie) eingesetzt werden, die es ermöglichen, eine zweifelsfreie Korrelation von elektrochemischer Belastung und resultierenden Alterungs- und Degradationsphänomenen aufzustellen. In Kombination mit der Verwendung wohldefinierter, umfassend charakterisierter Materialien kann so eine Korrelation zwischen Kohlenstoffstruktur (einschließlich Oberflächenchemie), elektrochemischem Stress und Degradation aufgestellt werden. Die Untersuchungen sollen einerseits unabhängig von einer spezifischen Anwendung sehr grundlegende Aussagen ermöglichen. Andererseits ist vorgesehen, die Untersuchungen auf Vanadium-Fluss-Batterien zu übertragen und somit einen ersten Schritt der Übertragung der grundlegenden Erkenntnisse auf ein Anwendungssystem von hoher praktischer Relevanz zu leisten. Mittelfristig sollen die Ergebnisse dazu beitragen, stabilere, verlässlichere Materialien für elektrochemische Energiewandler zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen