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auf der Projektwebseite von [e-Speicher]3 – angewandte Solvatationsforschung im Ruhrgebiet. Wir arbeiten an drei-dimensionalen Architekturen von Materialien mit designten nanoskaligen Wasserkanälen, um elektrochemische Energiespeicherung schneller zu machen.

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[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.

To electrochemically store energy, changes at the active storage material are triggered by applying a voltage. Under conditions where the material transitions back to its original state, electric current can be (re-)utilized to power applications. The respective changes depend on the interactions of a solid storage material with components of a surrounding liquid – the interfacing electrolyte. Thus, we need to understand how materials alter in course of energy storage and supply, as well as effects of shape and structure to systematically improve energy storage properties.  

[e-Speicher]3 investigates active electrode architectures employing nanoparticles which are pervaded by many narrow channels. In contrast to a massive material block, such nanomaterials provide a large interface to the liquid electrolyte. Therefore, the material can fast contribute to electrochemical energy storage to a large extent. For the process of storage-related material changes several possibilities are plausible according to the current state of knowledge.

One feasible explanation is based on ions dissolved out of the solid-state material during storage and re-integration into the solid material when electric current is supplied. If such a mechanism is observed, the shape of the nanomaterial can be adjusted to ensure that many dissolved ions remain close to the material surface. For example, nanoparticles can be assembled with void spaces between them only accessible through narrow electrolyte filled inlets.   

An alternative storage mechanism is based on changes of the solid-state material which are not accompanied by ions being disintegrated from the compound. These alterations require re-organization of solvent molecules and conducting salt components of the electrolyte at the liquid/solid interface to compensate the energy-storing material changes. Accordingly, solvation properties in the narrow sub-nanometre channels of the nanoparticles change. Thus, the nanoparticle shape and electrode architecture should be adjusted to allow efficient exchange of electrolyte components between the channels and particle surrounding regions.

… 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

Ein Blick auf projektbezogene Veröffentlichungen

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 .

Treffen Sie das Forschungsteam

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Julia, Geovane und Chris vom Lehrstuhl für Analytische Chemie II an der Ruhr-Universität Bochum diskutieren den experimentellen Aufbau für die Herstellung von drei-dimensionalen Stromkollektoren im Labormaßstab.

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… oder besuchen Sie uns im ZEMOS

Wenn Sie ein*e neugierige Chemiker*in/Materialwissenschaftler*in (M.Sc./M.Eng.) sind oder dabei eine*r zu werden (Masterarbeit, Spezialisierung, Vertiefungspraktikum, Bachelorarbeit, SHK/WHK) und sich dafür interessieren, Teil von [e-Speicher]3 zu werden, melden Sie bitte sich bei Julia Linnemann.

Dr. Julia Linnemann
Ruhr-Universität Bochum
Analytische Chemie II
Universitätsstr. 150, ZEMOS 2.31
D-44801 Bochum
+49 234 32 19076
julia.linnemann@ruhr-uni-bochum.de