Vom Modell zu realistischen Systemen: Design von Festelektrolyt-Interphasen für Lithium-Ionen-Akkumulatoren und Elektrolyseure

• Antragstellerin: Dr. Isabel Pantenburg
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562975939

Ein großes ungenutztes Potential für die Weiterentwicklung von Technologien wie Elektrolyseuren und Batterien liegt im grundlegenden Verständnis der Festelektrolyt-Interphasen (SEIs) in elektrochemischen Systemen. Erkenntnisse über Prozesse, die an diesen Passivierungsschichten ablaufen, sind der Schlüssel, um gezielt Zelldesigns zu entwickeln, mit denen die Lebensdauer von existierenden Technologien verlängert und deren Leistung deutlich erhöht werden können. Weiterhin bildet das gewonnene Verständnis eine Grundlage, um komplett neue elektrochemische Technologien zu erfinden. Im geplanten Projekt wird in drei Schritten übergreifendes Verständnis aufgebaut und für die Entwicklung optimierter SEIs eingesetzt: 1 Es werden Modellsysteme hergestellt, in denen verschiedene Interphasen-Prozesse isoliert sind. Deren Mechanismen werden im Anschluss charakterisiert und aus dem generierten Wissen wird eine Bibliothek für Interphasen-Prozesse erstellt. Um eine weite Spanne an Prozessen abzudecken, basieren die untersuchten Modellsysteme auf zwei diametral unterschiedlichen Systemen und traditionell separierten Forschungsfeldern, einer Lithium-Ionen-Batterie- und einer Wasserelektrolyseur-Anode. 2 Der darauffolgende Schritt soll die Lücke zwischen Modell- und angewandten Systemen überbrücken. Dazu werden "Brückensysteme" angefertigt, die repräsentativ für realistische Systeme sind, jedoch trotzdem hinreichend simpel sind, um analysiert zu werden. 3 Sobald auf diese Weise die relevanten Prozesse in komplexen realistischen Interphasen identifiziert und verstanden sind, wird dieses Wissen eingesetzt, um kontrollierte Interphasen zu entwickeln. In diesem letzten Schritt werden Interphasen mit verbesserten Eigenschaften für Batterien und Elektrolyseure hergestellt. Diese werden abhängig von den Erkenntnissen aus Schritt 1 und 2 basieren auf a) Modifikation der elektronischen Struktur der Elektrode, Veränderung der SEI- b) Zusammensetzung oder c) Morphologie und/oder d) chemischer Modifikation der SEI. Neben der Entwicklung von verbesserten Systemen sollen die geplanten Untersuchungen auch als Proof-of-Concept dienen, dass für jegliche Arten elektrochemischer Interphasen die gleichen Prinzipien und Regeln gelten. Auf diese Weise soll das fundamentale Verständnis von Interphasen-Prozessen auf lange Sicht auch zur Entwicklung von Systemen wie Post-Lithium-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen, und Farbstoffsolarzellen beitragen und somit als Schlüssel zu einer effizienten und sauberen Energiewende dienen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Niederlande, Slowenien
• Gastgeber: Professor Dr. Marc Koper; Dr. Dusan Strmcnik