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Ausgewählte Ergebnisse direkt aus dem Labor
Dezember 2020Organische Redox-Flow-Batterien (RFB) rückten in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus als Großenergiespeicher, da diese im Vergleich zu der etablierten Vanadium-RFB keine toxischen und seltenen Metallionen enthalten. Aufgrund dessen, steigt die Nachfrage an neuen organischen Aktivmaterialien, welche als Katholyt oder Anolyt in der organischen RFB eingesetzt werden. Die Langzeitstabilität der organischen Aktivmaterialien ist dabei maßgeblich für einen möglichen kommerziellen Erfolg der RFB. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich hierbei mit der Charakterisierung der Leistungsfähigkeit und der Stabilität organischer Aktivmaterialien für RFB im Betrieb. Im Bild sind beispielhaft die erzielten Ergebnisse mit einem Diazanaphthochinon (synthetisiert durch die AG Wegner; Kooperation im Rahmen einen vom BMEL geförderten Projektes) gezeigt. Das Diazanaphthochinon (oben) wurde mit Hilfe einer operando UV/Vis-Zelle vermessen (links), während gleichzeitig elektrochemische Messungen (rechts) durchgeführt wurden. Die UV/Vis-Messungen dienen hierbei zur Identifikation von Produkten und Degradationsprodukten, wohingegen es elektrochemische Langzeitmessungen ermöglichen die Kinetik der auftretenden Degradationsreaktionen zu bestimmen. Insgesamt setzt unsere Arbeitsgruppe stets auf eine schlagkräftige Kombination aus Analytik (operando, in-situ und ex-situ) sowie theoretischen Betrachtungen, um das Verständnis der organischen Aktivmaterialien für RFB zu erweitern. (Bild eingereicht von: Dominik Emmel und Simon Kunz)https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/schroeder/bilderdesquartals/copy_of_BdQ0120/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Organische Redox-Flow-Batterien (RFB) rückten in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus als Großenergiespeicher, da diese im Vergleich zu der etablierten Vanadium-RFB keine toxischen und seltenen Metallionen enthalten. Aufgrund dessen, steigt die Nachfrage an neuen organischen Aktivmaterialien, welche als Katholyt oder Anolyt in der organischen RFB eingesetzt werden. Die Langzeitstabilität der organischen Aktivmaterialien ist dabei maßgeblich für einen möglichen kommerziellen Erfolg der RFB. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich hierbei mit der Charakterisierung der Leistungsfähigkeit und der Stabilität organischer Aktivmaterialien für RFB im Betrieb. Im Bild sind beispielhaft die erzielten Ergebnisse mit einem Diazanaphthochinon (synthetisiert durch die AG Wegner; Kooperation im Rahmen einen vom BMEL geförderten Projektes) gezeigt. Das Diazanaphthochinon (oben) wurde mit Hilfe einer operando UV/Vis-Zelle vermessen (links), während gleichzeitig elektrochemische Messungen (rechts) durchgeführt wurden. Die UV/Vis-Messungen dienen hierbei zur Identifikation von Produkten und Degradationsprodukten, wohingegen es elektrochemische Langzeitmessungen ermöglichen die Kinetik der auftretenden Degradationsreaktionen zu bestimmen. Insgesamt setzt unsere Arbeitsgruppe stets auf eine schlagkräftige Kombination aus Analytik (operando, in-situ und ex-situ) sowie theoretischen Betrachtungen, um das Verständnis der organischen Aktivmaterialien für RFB zu erweitern. (Bild eingereicht von: Dominik Emmel und Simon Kunz)
Oktober 2020Lithium-Sauerstoff-Batterien gelten auf Grund ihrer hohen theoretischen Speicherkapazität als mögliche Energiespeicher der Zukunft, sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen. In ihnen wird metallisches Lithium (Anodereaktion) mit Sauerstoff (Kathodenreaktion) zu Lithiumperoxid umgewandelt. Das gebildete Lithiumperoxid wird in der Batterie gespeichert und beim Laden wieder in Sauerstoff und metallisches Lithium umgewandelt. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahren können mit diesem Batterietyp derzeit noch keine hohen Zyklenzahlen für das elektrische Wiederaufladen erreicht werden. Als Ursache hierfür gelten verschiedene Nebenreaktionen beim Lade- und Entladevorgang, deren Ursprung bisher nicht vollständig aufgeklärt werden konnte. Eine mögliche Quelle für die ungewollt entstehenden Nebenprodukte ist der während des Betriebs gebildete Singulett-Sauerstoff (¹O₂). Bei ¹O₂ handelt es sich um eine angeregte, kurzlebige Variante von molekularem Sauerstoff. Sie ist ein sehr gutes Oxidationsmittel und reagiert mit den anderen Komponenten der Batterie wie dem Elektrolyten und den Elektrodenmaterialien. Da ¹O₂ aber nicht langzeitstabil ist und bereits nach wenigen Millisekunden abreagiert, ist der Nachweis schwierig. Eine Möglichkeit zum Nachweis ist das sogenannte Trapping bei dem ¹O₂ mit anderen Molekülen zur Reaktion gebracht wird, welche dann später nachgewiesen werden können. In der AG Schröder wird derzeit das in der Abbildung gezeigte Molekül 9,10-Dimethylanthracen (DMA) als Nachweismittel für 1O2 in Lithium-Sauerstoff-Batterien untersucht, da es spezifisch mit Singulett-Sauerstoff zu 9,10-Dimethyl-9,10-epidioxianthracen reagiert (DMA-O₂). Über dessen Stabilität und den Einfluss auf die Chemie von Lithium-Sauerstoff-Batterien ist bisher wenig bekannt. Das dafür benötigte DMA-O₂ wird in der AG Schröder photochemisch hergestellt (siehe Bild) und anschließend aufgereinigt bevor es weiter untersucht wird. (Bild eingereicht von: Adrian Schürmann)https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/schroeder/bilderdesquartals/BdQ0320/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Lithium-Sauerstoff-Batterien gelten auf Grund ihrer hohen theoretischen Speicherkapazität als mögliche Energiespeicher der Zukunft, sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen. In ihnen wird metallisches Lithium (Anodereaktion) mit Sauerstoff (Kathodenreaktion) zu Lithiumperoxid umgewandelt. Das gebildete Lithiumperoxid wird in der Batterie gespeichert und beim Laden wieder in Sauerstoff und metallisches Lithium umgewandelt. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahren können mit diesem Batterietyp derzeit noch keine hohen Zyklenzahlen für das elektrische Wiederaufladen erreicht werden. Als Ursache hierfür gelten verschiedene Nebenreaktionen beim Lade- und Entladevorgang, deren Ursprung bisher nicht vollständig aufgeklärt werden konnte. Eine mögliche Quelle für die ungewollt entstehenden Nebenprodukte ist der während des Betriebs gebildete Singulett-Sauerstoff (¹O₂). Bei ¹O₂ handelt es sich um eine angeregte, kurzlebige Variante von molekularem Sauerstoff. Sie ist ein sehr gutes Oxidationsmittel und reagiert mit den anderen Komponenten der Batterie wie dem Elektrolyten und den Elektrodenmaterialien. Da ¹O₂ aber nicht langzeitstabil ist und bereits nach wenigen Millisekunden abreagiert, ist der Nachweis schwierig. Eine Möglichkeit zum Nachweis ist das sogenannte Trapping bei dem ¹O₂ mit anderen Molekülen zur Reaktion gebracht wird, welche dann später nachgewiesen werden können. In der AG Schröder wird derzeit das in der Abbildung gezeigte Molekül 9,10-Dimethylanthracen (DMA) als Nachweismittel für 1O2 in Lithium-Sauerstoff-Batterien untersucht, da es spezifisch mit Singulett-Sauerstoff zu 9,10-Dimethyl-9,10-epidioxianthracen reagiert (DMA-O₂). Über dessen Stabilität und den Einfluss auf die Chemie von Lithium-Sauerstoff-Batterien ist bisher wenig bekannt. Das dafür benötigte DMA-O₂ wird in der AG Schröder photochemisch hergestellt (siehe Bild) und anschließend aufgereinigt bevor es weiter untersucht wird. (Bild eingereicht von: Adrian Schürmann)
Juli 2020Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erfreuen sich derzeit großer Beliebtheit. Kommerziell erhältliche LIBs zeichnen sich jedoch auch unter Umständen durch gravierende Sicherheitsprobleme aus, die sich aus der Entflammbarkeit des organischen Flüssigelektrolyten ergeben. Um dieses Sicherheitsrisiko zu umgehen, werden derzeit Festkörperbatterien (SSBs) als vielversprechende Ergänzung zu Batterien mit organischem Flüssigelektrolyte diskutiert. Allerdings steht die Entwicklung von SSBs noch vor beträchtlichen Herausforderungen, die eine schnelle Kommerzialisierung verhindern. Eine der Hauptherausforderungen ist der hohe Ladungstransferwiderstand zwischen den Elektrodenmaterialien und dem Festelektrolyten aufgrund der instabilen Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Daher untersuchen die AG Schröder und die AG Janek gemeinsam die zugrundeliegenden Degradationsprozesse in SSBs. Im Detail beschäftigen wir uns mit den Degradationsreaktionen an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Kathodenmaterialien und Festelektrolyten – dies im Rahmen des DE-JPN-Verbundprojektes InCa, welches vom BMBF gefördert wird. Das REM-Bild zeigt die verwendeten Kathodenpartikel und den Festelektrolyten; die Grafik veranschaulicht den Degradationsvorgang an der Grenzfläche. Hierzu wurden Impedanzmessungen durchgeführt, um den Einfluss der Degradation auf den Grenzflächenwiderstand mit zunehmender Alterungszeit zu verfolgen. Eine charakteristische Frequenz (~200 – 500 Hz), die den Prozessen während der Degradation an der Grenzfläche zugeordnet werden kann, ist entsprechend im Nyquist-Diagramm eingezeichnet. (Bild eingereicht von TongTong Zuo und Daniel Schröder).https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/schroeder/bilderdesquartals/BdQ0220/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erfreuen sich derzeit großer Beliebtheit. Kommerziell erhältliche LIBs zeichnen sich jedoch auch unter Umständen durch gravierende Sicherheitsprobleme aus, die sich aus der Entflammbarkeit des organischen Flüssigelektrolyten ergeben. Um dieses Sicherheitsrisiko zu umgehen, werden derzeit Festkörperbatterien (SSBs) als vielversprechende Ergänzung zu Batterien mit organischem Flüssigelektrolyte diskutiert. Allerdings steht die Entwicklung von SSBs noch vor beträchtlichen Herausforderungen, die eine schnelle Kommerzialisierung verhindern. Eine der Hauptherausforderungen ist der hohe Ladungstransferwiderstand zwischen den Elektrodenmaterialien und dem Festelektrolyten aufgrund der instabilen Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Daher untersuchen die AG Schröder und die AG Janek gemeinsam die zugrundeliegenden Degradationsprozesse in SSBs. Im Detail beschäftigen wir uns mit den Degradationsreaktionen an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Kathodenmaterialien und Festelektrolyten – dies im Rahmen des DE-JPN-Verbundprojektes InCa, welches vom BMBF gefördert wird. Das REM-Bild zeigt die verwendeten Kathodenpartikel und den Festelektrolyten; die Grafik veranschaulicht den Degradationsvorgang an der Grenzfläche. Hierzu wurden Impedanzmessungen durchgeführt, um den Einfluss der Degradation auf den Grenzflächenwiderstand mit zunehmender Alterungszeit zu verfolgen. Eine charakteristische Frequenz (~200 – 500 Hz), die den Prozessen während der Degradation an der Grenzfläche zugeordnet werden kann, ist entsprechend im Nyquist-Diagramm eingezeichnet. (Bild eingereicht von TongTong Zuo und Daniel Schröder).
März 2020Die Kommerzialisierung von reinen Metallen als Anodenmaterial wird im Rahmen der Batterieforschung oftmals als „Heiliger Gral“ bezeichnet. Diese Aussage beruht darauf, dass die Energiedichte von Batterien durch die Verwendung von reinen Metallen deutlich erhöht werden kann. Jedoch müssen noch verschiedene Herausforderungen vor der Kommerzialisierung von Metallanoden bewältigt werden. Eine der Hauptherausforderungen ist das Wachstum von sogenannten Dendriten während des Ladens der Batterie zu verhindern. Die AG Schröder hat sich im Rahmen mehrerer Studienprojekte mit der Analyse des dendritischen Wachstums und der Verhinderung dessen beschäftigt. In ihrer Bachelorthesis hatte Ronja Haas das Wachstum von Dendriten durch den Einsatz von verschiedenen Natrium-Metall-Legierungen vermindert. Hierzu verwendete sie zum einen flüssige Natrium-Kalium-Legierungen als Anode und zum anderen Natrium-Zinn-Legierungen als Schutzschicht. Auch im Rahmen seiner Masterthesis befasste sich Julian Kreissl mit der Verhinderung von Dendriten in Natrium-Sauerstoff-Batterien. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter R. Schreiner setzte er funktionalisierte Diamantoide als Additiv im Elektrolyten. Diese „molekularen Diamanten“ werden während des Ladens in die Anode eingebaut und sorgen für eine planare Metallabscheidung (Abbildung a; 10.1002/cssc.201903499). Beide Arbeiten wurden im Zuge des studentischen Nachwuchsprogramms für Elektromobilität des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und der Fraunhofer-Gesellschaft, DRIVE-E, in den Kategorien „Beste Bachelorarbeit“ und „Beste Masterarbeit“ mit dem jeweils ersten Platz ausgezeichnet (Abbildung b; https://www.uni-giessen.de/ueber-uns/pressestelle/pm/pm188-19driveepreisfuerwissenschaftlichennachwuchs ; https://www.iisb.fraunhofer.de/en/press_media/press_releases/pressearchiv/archiv_2019/drive-e_2019_studienpreise.html).https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/schroeder/bilderdesquartals/BdQ0120/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Die Kommerzialisierung von reinen Metallen als Anodenmaterial wird im Rahmen der Batterieforschung oftmals als „Heiliger Gral“ bezeichnet. Diese Aussage beruht darauf, dass die Energiedichte von Batterien durch die Verwendung von reinen Metallen deutlich erhöht werden kann. Jedoch müssen noch verschiedene Herausforderungen vor der Kommerzialisierung von Metallanoden bewältigt werden. Eine der Hauptherausforderungen ist das Wachstum von sogenannten Dendriten während des Ladens der Batterie zu verhindern. Die AG Schröder hat sich im Rahmen mehrerer Studienprojekte mit der Analyse des dendritischen Wachstums und der Verhinderung dessen beschäftigt. In ihrer Bachelorthesis hatte Ronja Haas das Wachstum von Dendriten durch den Einsatz von verschiedenen Natrium-Metall-Legierungen vermindert. Hierzu verwendete sie zum einen flüssige Natrium-Kalium-Legierungen als Anode und zum anderen Natrium-Zinn-Legierungen als Schutzschicht. Auch im Rahmen seiner Masterthesis befasste sich Julian Kreissl mit der Verhinderung von Dendriten in Natrium-Sauerstoff-Batterien. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter R. Schreiner setzte er funktionalisierte Diamantoide als Additiv im Elektrolyten. Diese „molekularen Diamanten“ werden während des Ladens in die Anode eingebaut und sorgen für eine planare Metallabscheidung (Abbildung a; 10.1002/cssc.201903499). Beide Arbeiten wurden im Zuge des studentischen Nachwuchsprogramms für Elektromobilität des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und der Fraunhofer-Gesellschaft, DRIVE-E, in den Kategorien „Beste Bachelorarbeit“ und „Beste Masterarbeit“ mit dem jeweils ersten Platz ausgezeichnet (Abbildung b; https://www.uni-giessen.de/ueber-uns/pressestelle/pm/pm188-19driveepreisfuerwissenschaftlichennachwuchs ; https://www.iisb.fraunhofer.de/en/press_media/press_releases/pressearchiv/archiv_2019/drive-e_2019_studienpreise.html).
