NMR-Transportstudien an flüssigen organischen Redox-Materialien

• Antragsteller: Dr. Sven Jovanovic
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539484433

Redox-Flussbatterien unter Nutzung flüssiger organischer Redoxmateralien (L-ROMs) eröffnen die Möglichkeit von Energiespeichern, die in ihrer Leistungs- und Energiedichte flexibel skalierbar sind, und gleichzeitig nicht-toxisch sowie kostengünstig. L-ROMs sind eine Stoffklasse, die im ungeladenen Zustand als neutrale, molekulare Flüssigkeit existieren. Während des elektrochemischen Ladeprozesses werden die L-ROMs in eine ionische Flüssigkeit umgewandelt. L-ROMs werden zur Erhöhung der Leitfähigkeit und Wahrung der Ladungsneutralität während des Ladeprozesses Leitsalze hinzugegeben, sowie in Fällen von hochviskosen Systemen ein inertes Lösungsmittel. Dementsprechend liegt ein komplexes System mit bis zu drei Komponenten vor, das als zusätzlichen Parameter den Ladungszustand besitzt. Der Ladungstransport, der in der Regel durch Ionenmobilität bedingt wird, ist ein essenzieller Parameter von elektrochemischen Materialien. Niedrige Mobilität resultiert in geringer ionischer Leitfähigkeit und dementsprechend hohem internen Widerstand und Effizienzverlusten in elektrochemischen Zellen. Eine Charakterisierung der Ionenmobilität ist daher zentral für die Batterieforschung. Im Falle von L-ROMs sind durch die beiden Grenzfälle der molekularen und ionischen Flüssigkeit zwei nicht vergleichbare Ladungstransportmechanismen zu erwarten, sowie einem nicht trivialen Übergang zwischen den Grenzfällen. Um eine Redox-Flussbatterie mit L-ROMs optimal betreiben zu können, ist daher eine Charakterisierung des Ladungstransports über den gesamten Ladezyklus notwendig. Ziel dieses Vorhabens ist es, das Ladungstransportverhalten von L-ROM Systemen mittels Pulsed-Field-Gradient (PFG) und Austausch (EXSY) NMR-Spektroskopie zu erforschen. PFG NMR ermöglicht die direkte Quantifizierung der Diffusivität verschiedener Ionen sowie die Bestimmung eventueller Transportlimitierungen. EXSY NMR Experimente erlaubt eine Charakterisierung von (Selbst-)Austauschreaktionen und dynamischen Gleichgewichtsreaktionen, wie sie in hoch konzentrierten ionischen Systemen für den Ladungstransport relevant sein können. Dabei werden sowohl Diffusion als auch Austausch in L-ROM Systemen mit verschiedenen Zusammensetzungen und Ladungszuständen studiert, um auftretende Transportmechanismen und Übergänge zwischen verschiedenen Mobilitätsbereichen im Detail zu verstehen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Österreich
• Gastgeber: Professor Stefan A. Freunberger