Gemischtleitende Elektroden für Hochenergie Lithium-O2 Batterien

Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist ein effektiver und zielgerichteter Schritt vorwärts bei Hochenergie Lithium-Luft Batterien mit dem Konzept organischer Gemischtleiter für Ionen und Elektronen. Elektrifizierung des Verkehrs ist essentiell um die Treibhausgas Emissionen zu reduzieren. Existierende Batterietechnologie bietet dafür zu geringe Energiedichte bei zu hohen Kosten. Neue Batteriematerialien, die einen Sprung in Kostensenkung und Energiedichte gegenüber jetziger Lithium-Ionen Batterien erlauben, haben schlechte Leitfähigkeit und/oder hohe Volumenänderungen beim Zykeln gemeinsam. Ionen und Elektronenleiter am Stand der Technik sind diesen Anforderungen nicht gewachsen. Als die optimale Lösung kann ein flexibler Ionen und Elektronen Gemischtleiter angesehen werden, der den Volumenänderungen folgen kann und jederzeit engen Kontakt mit Ionen und Elektronen sicherstellt. Das Projekt greift damit direkt fundamentale Herausforderungen dieser vielversprechenden Batterie an, anstatt schrittweise Verbesserungen von existierenden Lösungsansätzen zu verfolgen. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass das Konzept realisierbar ist und beispiellose Möglichkeiten eröffnet. Es werden Elektroden möglich, die ihre Dicke dem Ladezustand anpassen. Damit kann die Energiedichte maximiert werden, indem Totvolumen und masse auf ein Minimum reduziert werden. Dazu entwickeln und kombinieren wir fortschrittliche synthetische, elektroanalytische und spektroskopische Methoden, um dieses Konzept zu realisieren. Dieses Projekt hat hohe Chancen einen signifikanten Fortschritt bei Lithium-Luft Hochenergie Batterien zu machen, indem fundamentale Gründe der jetzigen Schwierigkeiten angegriffen werden, anstatt jetzige Ansätze schrittweise verbessern zu versuchen. Damit kann das herausragende Potential der Lithium-Luft Batterie voll ausgeschöpft werden. Die Zeit ist richtig, um diese Forschung jetzt zu starten, da es einen massiven weltweiten Aufschwung von Aktivitäten gibt, Lösungen für dieses Ziel zu finden. In diesem Projekt sollen die wissenschaftlichen Fundamente einer neuen Richtung auf diesem Gebiet gelegt und sein Potential gezeigt werden. Die Erreichung dieses Ziels kann die Tür zu wegweisender elektrochemischer Energiespeicherung eröffnen. Ich habe alle notwendigen Fähigkeiten, um diese neue Linie multidisziplinärer Forschung zu etablieren.

Der Batteriemarkt erfordert wesentliche Verbesserungen in verschiedenen Richtungen wie der Energiespeicherung per Masse und Volumen der Batterie, den Kosten, Umweltfreundlichkeit und Rezyklierbarkeit. Das den jetzigen Li-Ionen Batterien zugrundeliegende Konzept der Einlagerungsverbindungen kann diese Anforderungen nicht erfüllen. Daher werden sogenannte Konversionsreaktionen intensiv untersucht, die wesentliche Fortschritte in jeder der Richtungen versprechen. Eines dieser Konzepte ist die Lithium-Sauerstoff Batterie, die die höchste bekannte theoretische Energiedichte aufweist. Sie weist jedoch neue Schwierigkeiten wie z.B. elektrisch isolierende Aktivmaterialien und Volumenänderungen auf, die es wesentlich schwieriger machen arbeitende Batterien zu bauen. Die optimale Lösung dafür sind elektronische / ionische Gemischtleiter, die den Volumenänderungen folgen können. Um diese zu verwirklichen ist Grundlagenforschung nötig, die der Gegenstand dieses Projekts ist. In den ersten Monaten diese Projekts wurden die Bausteine der Gemischtleiter erarbeitet und Methoden entwickelt, um den Mechanismus der Reaktionen beim Entladen und Laden zu verstehen und mögliche Nebenreaktionen aufzuklären. Beides ist erforderlich, um das herausragende Potential dieser Batterie auszuschöpfen und lange Zyklisierbarkeit zu ermöglichen. Nach 7 Monaten Laufzeit dieses Projekts wurde es im ERC Starting Grant Projekt des Projektleiters weitergeführt.