[e-Speicher]³ ist …

… ein Forschungsprojekt zur Erarbeitung physikochemischer Grundlagen für anpassbare nachhaltige Speicherung elektrischer Energie auf Basis von synergistischem Material- und Elektrodendesign

Für eine Vielzahl von elektrochemischen Speichertechnologien wie Batterien und Superkondensatoren wurden in den letzten Jahren angepasste Nanomaterialien erforscht und entwickelt, mit denen hohe Energie- und Leistungsdichten erzielt werden können. Häufig sind diese außergewöhnlichen Performance-parameter aber nur im Labortest zu beobachten und sinken deutlich unter Bedingungen, die bei tatsächlichen Speichern vorliegen.

So wird zum Beispiel meist eine Kapazität pro Masse des verwendeten Aktivmaterials angegeben; dieser massenspezifische Wert sinkt aber bei Verwendung größerer Mengen des Nanomaterials. Wenn dickere Schichten von aktiven Nanomaterialien hergestellt werden, bestehen beispielsweise Einflüsse auf die elektrische Leitfähigkeit und den Transport von aktiven Komponenten des angrenzenden flüssigen Elektrolyten.

Aus Hochleistungs-nanomaterialien werden also Elektroden hergestellt, die dann in Speicherzellen verwendet werden. Wie gut eine Speicherzelle funktioniert, hängt dabei entscheidend davon ab, wie die aktive Nanomaterialschicht der Elektrode aufgebaut ist. Wie dick ist die Schicht? Wie dicht sind die Nanopartikel gepackt? Wie viele elektrolyt-gefüllte Zwischenräume gibt es und wie groß sind diese? etc. Deshalb müssen spezifisch angepasste drei-dimensionale Architekturen maßgeschneiderter Nanomaterialien entwickelt werden. Neben geeigneten skalierbaren Herstellungsverfahren wird vertieftes Verständnis von Nanomaterial- und Elektrodengestalt-effekten benötigt, um elektrochemische Speichertechnologien nachhaltig zu verbessern.

… ein Forschungsprojekt, das Eigenschaften von Nanobausteinen und Bauwerken, die aus ihnen zusammengesetzt sind, analysiert.

Die Entwicklung von elektrochemischen Energiespeichern, wie z.B. Akkupacks für e-Bikes, findet auf mehreren Ebenen statt. Sozusagen entspricht ein Akkupack einer Reihenhaussiedlung, mit einer Akku-/Batteriezelle als einzelnem Reihenhaus, das wiederum aus vielen verschiedenen Zellkomponenten besteht: ein Dach, Wände, etc. Wie viele Personen komfortabel in dem Haus leben können und ob bald Sanierungsarbeiten nötig werden, hängt natürlich nicht nur von der Qualität der verbauten Mauersteine ab. Eine ganze Menge anderer Dinge spielen eine Rolle: Von der Art wie die Steine verbunden sind, über die Gebäudearchitektur, bis hin zu den Hausbewohnern.

Das gleiche gilt für eine elektrochemische Energiespeicherelektrode. Die Nanopartikel, welche eine aktiv speichernde Schicht bilden, weisen intrinsische elektrochemische Eigenschaften auf, die sich aber nicht einfach aufsummieren, wenn eine Elektrode aus Milliarden Nanopartikeln hergestellt wird. Um solche Ensemble-effekte, die sich beeinflussende Nanopartikel haben, aufzuklären, nutzen wir weiterentwickelte elektroanalytische Methoden zur Charakterisierung von vollständigen Elektroden als auch Nanopartikel-einschlagsmessungen, um statistische Informationen über die Energiespeichereigenschaften einzelner Nanopartikel zu gewinnen. Somit wollen wir Wissen über Mauersteinqualität und Rohbau(-design) einsetzen, um Elektrodenarchitekturen zu verbessern. Weiterlesen

… ein Forschungsprojekt, das Speichermechanismen in nanoskaligen Wasserkanälen ergründet.

Um elektrochemisch Energie zu speichern, werden Veränderungen des aktiven Speichermaterials durch das Anlegen einer Spannung hervorgerufen. Unter Bedingungen, bei denen das Material in seinen ursprünglichen Zustand übergeht, kann elektrischer Strom (wieder) nutzbar gemacht werden. Die entsprechenden Veränderungen hängen von den Wechselwirkungen des festen Speichermaterials und den Komponenten der umgebenden Flüssigkeit (dem angrenzenden Elektrolyten) ab. Daher müssen wir verstehen, wie Materialien und ihre Elektrolytumgebung sich während Energiespeicher- und -abrufvorgängen verändern und welche Rolle Gestalt und chemische Struktur dabei spielen, um Energiespeichereigenschaften systematisch verbessern zu können. 

[e-Speicher]³ erforscht aktive Elektrodenarchitekturen, bei denen Nanopartikel verwendet werden, die von vielen engen Kanälen durchzogen sind. Im Gegensatz zu einem massiven Materialblock bieten solche Nanomaterialien eine große Grenzfläche zum flüssigen Elektrolyten. Daher kann das Material schnell und in großem Umfang zur elektrochemischen Energiespeicherung beitragen. Für den Prozess speicherbezogener Materialveränderungen sind nach heutigem Kenntnisstand mehrere Möglichkeiten plausibel.

Eine mögliche Erklärung beinhaltet, dass Ionen während der Speicher- und Abrufvorgänge aus dem Festkörpermaterial herausgelöst und wieder (re-)integriert werden. Wenn ein solcher Mechanismus beobachtet wird, kann die Gestalt des Nanomaterials so angepasst werden, dass viele gelöste Ionen in der Nähe der Materialoberfläche bleiben. So können beispielsweise Nanopartikel mit Hohlräumen zwischen ihnen zusammengesetzt werden, die nur durch enge, mit Elektrolyt gefüllte Einlässe zugänglich sind.

Ein alternativer Speichermechanismus beruht auf Veränderungen des Festkörpermaterials, die nicht mit dem Herauslösen von Ionen aus der Verbindung einhergehen. Diese Veränderungen erfordern eine Reorganisation der Lösungsmittelmoleküle und der Leitsalzkomponenten des Elektrolyten an der Flüssigkeits/Festkörper-Grenzfläche, um die Veränderungen des energiespeichernden Materials zu kompensieren. Dementsprechend ändern sich die Solvatationseigenschaften in den engen Sub-Nanometerkanälen der Nanopartikel. Daher sollten die Nanopartikelgestalt und Elektrodenarchitektur so angepasst werden, dass ein effizienter Austausch von Elektrolytkomponenten zwischen den Kanälen und den Partikel umgebenden Regionen möglich ist.

… ein Forschungsprojekt, das nachhaltige Methoden für die Herstellung von dreidimensionalen Elektrodenarchitekturen entwickelt.

Zu wissen, welche Elektrodenarchitekturen die Funktion erfüllen, ist nur ein Teil des Lösungswegs. Im nächsten Schritt werden neue Fertigungstechniken gebraucht, um solche Architekturen skalierbar und nachhaltig herzustellen. Galvanische Verfahren beinhalten den konzeptionellen Vorteil der elektrischen Kontaktierung abgeschiedener Materialien und kommen für eine Vielzahl von Elektrodenarchitekturen und Materialklassen in Frage. Eine Methode, die wir anwenden, nutzt eine meist unwillkommene Nebenreaktion der Metallabscheidung mit wässrigen Lösungen aus. Gasblasen, die sich durch Wasserspaltung bei höheren Spannungen bilden, werden als dynamisches Templat für drei-dimensionale Elektrodenmorphologien wirksam. Weiterlesen

Elektrochemie verstehen lernen

Das Kursangebot des Chemie-Masterstudiengangs der RUB umfasst die englischsprachigen Module Electrochemistry: From Fundamentals to Applications I (Wintersemester) und II (Sommersemester). Julia liest die Teile zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS).

Obwohl frequenzabhängige elektrochemische Messungen Zugang zu faszinierenden Informationen über elektrochemische Kinetik und Transport(teil)prozesse bieten, ist der Einstieg in die EIS-Methode oft schwierig. Wir haben daher eine Videoreihe erstellt, welche die Methode möglichst unabhängig von Vorkenntnissen zugänglich machen soll. Wir gehen darin detailliert auf Schlüsselbegriffe ein und schauen uns experimentelle Beispiele an. Wir wollen den Zuschauern helfen, Konzepte zu verstehen, Lücken zu füllen und Verknüpfungen innerhalb ihrer Wissenslandkarten zu entdecken. Auf diese Weise hoffen wir, unsere Student:innen und Elektrochemieliebhaber:innen auf fortgeschrittenere Themen der Impedanzspektroskopie vorzubereiten, wie sie in den Kursen an der RUB behandelt werden.

Wir bieten auch Vertiefungs- und Spezialisierungspraktika sowie Bachelor- und Masterarbeiten in der analytischen/physikalischen Elektrochemie mit Bezug zur Energiespeicherung und -umwandlung an. Bitte kontaktiere Julia, wenn du daran interessiert bist, in unserem Team zu forschen.

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Ein Blick auf projektbezogene Veröffentlichungen

S. Reinke, V. Khamitsevich, O. Röth and J. Linnemann „Assessment of the Physicochemical Meaning of the Ohmic Series Resistance Observed for High Frequencies in Electrochemical Impedance Spectra“ International Workshop on Impedance Spectroscopy (IWIS), 2023, 45, DOI: 10.1109/IWIS61214.2023.10302764.

A. Rabe, M. Jaugstetter, F. Hiege, N. Cosanne, K. F. Ortega, J. Linnemann, K. Tschulik, M. Behrens „Tailoring Pore Size and Catalytic Activity in Cobalt Iron Layered Double Hydroxides and Spinels by Microemulsion-Assisted pH-Controlled Co-Precipitation“ ChemSusChem, 2023, 16, e202202015, DOI: 10.1002/cssc.202202015.

R. Aymerich-Armengol, P. Cignoni, P. Ebbinghaus, J. Linnemann, M. Rabe, K. Tschulik, C. Scheu, J. Lim „Mechanism of Coupled Phase/Morphology Transformation of 2D Manganese Oxides through Fe Galvanic Exchange Reaction“ J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 24190, DOI: 10.1039/D2TA06552E.

W. Xiang, N. Yang, X. Li, J. Linnemann, U. Hagemann, O. Ruediger, M. Heidelmann, T. Falk, M. Aramini, S. DeBeer, M. Muhler, K. Tschulik, T. Li „3D Atomic-Scale Imaging of Mixed Co-Fe Spinel Oxide Nanoparticles during Oxygen Evolution Reaction“ Nat. Commun., 2022, 13, 179, DOI: 10.1038/s41467-021-27788-2.

M. Azimzadeh Sani, N. G. Pavlopoulos, S. Pezzotti, A. Serva, P. Cignoni, J. Linnemann, M. Salanne, M.-P. Gaigeot, K. Tschulik „Unexpectedly High Capacitance of the Metal Nanoparticle/Water Interface: Molecular-Level Insights into the Electrical Double Layer“ Angew. Chem., Int. Ed., 2022, 61, e202112679, DOI: 10.1002/anie.202112679.

Z. Liu, M. Corva, H. M. A. Amin, N. Blanc, J. Linnemann, K. Tschulik „Single Co₃O₄ Nanocubes Electrocatalyzing the Oxygen Evolution Reaction: Nano-Impact Insights into Intrinsic Activity and Support Effects“ Int. J. Mol. Sci., 2021, 22, 13137, DOI: 10.3390/ijms222313137.

J. Linnemann, K. Kanokanchana, K. Tschulik „Design Strategies for Electrocatalysts from an Electrochemist’s Perspective“ ACS Catal., 2021, 11, 9, 5318-5346, DOI: 10.1021/acscatal.0c04118.

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