Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung in wässrigen Zink-Ionen-Batterien durch mit ko-dotiertem graphitischem Kohlenstoffnitrid beschichtete Zinkanoden

• Antragstellerin: Dr. Merve Aksoy
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580516604

Wässrige Zink-Ionen-Batterien (AZIB) gelten aufgrund geringer Kosten, reichlich verfügbarer Rohstoffe und hoher Sicherheit als vielversprechende Alternativen zu Lithium- und Natrium-Ionen-Systemen für stationäre Energiespeicher. Ein großes Hindernis ist jedoch die Instabilität der metallischen Zinkanode, die durch Dendritenbildung, Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und Nebenprodukte verursacht wird. Diese Probleme verringern die Coulomb-Effizienz, verkürzen die Lebensdauer und bergen Sicherheitsrisiken. Daher sind einfache, wirksame und kostengünstige Beschichtungsstrategien für Zinkanoden dringend erforderlich. Graphitisches Kohlenstoffnitrid (gCN) weist eine stickstoffreiche Schichtstruktur mit hoher thermischer und chemischer Stabilität sowie vielseitiger Modifizierbarkeit auf. Frühere Studien haben gezeigt, dass gCN-Beschichtungen die gleichmäßigere Zinkabscheidung fördern und das Dendritenwachstum hemmen können. Das volle Potenzial zur Unterdrückung der HER, insbesondere durch die Einführung polarer Zentren und die Modulation der elektronischen Struktur, ist jedoch noch unerforscht. Das Projekt konzentriert sich auf das Design von Sauerstoff- und Phosphor-kodotierten gCN-Nanoblättern (O,P-gCNNSs) als funktionelle Grenzflächenschichten zur Stabilisierung von Zinkanoden. Durch die Sauerstoffdotierung entstehen polare sauerstoffhaltige Zentren, die bevorzugt Zn²⁺ binden und dadurch die Wasseradsorption und HER hemmen. Phosphordotierung vergrößert den Schichtabstand, erleichtert die Diffusion von Zn²⁺ und erzeugt neue elektronische Zustände, die die Leitfähigkeit verbessern und den Elektronenfluss in Richtung Zinknukleation lenken. Der synergistische Effekt der O- und P-Kodotierung soll die Überspannungen der Zinkkeimbildung reduzieren, die Wasserstoffentwicklung unterdrücken und eine homogene Zinkabscheidung und -auflösung gewährleisten. In zwei Jahren werden O,P-gCNNSs synthetisiert, charakterisiert, als Beschichtungen auf Zinkanoden integriert und ihre elektrochemische Leistung in AZIBs systematisch getestet (u. a. durch galvanostatisches Zyklieren, EIS sowie LSV). Zusätzlich werden Operando- und Post-cycling-Analysen, einschließlich DEMS und postmortaler Strukturstudien, durchgeführt, um die Elektrodenstabilität zu optimieren. Um robuste Korrelationen zwischen Struktur, Grenzfläche und elektrochemischem Verhalten zu ermitteln, werden moderne Analysemethoden (u. a. XRD, FTIR, XPS, SEM) angewendet. Aufbauend auf Expertise in gCN-Modifizierung und Grenzflächen-Engineering zielt die Arbeit darauf ab, eine wesentliche Lücke in der Entwicklung von AZIBs zu schließen. Damit sollen dendritenfreie, effiziente Zinkanoden ermöglicht und sichere, langlebige und nachhaltige wässrige Batteriesysteme gefördert werden. Über AZIBs hinaus könnten die Ergebnisse dieser Arbeit neue Wege für die Weiterentwicklung nachhaltiger Energiespeichertechnologien eröffnen.

• DFG-Verfahren: Stelle