In diesem Projekt werden Mehrschichtpolymerbatterien in einem holistischen Ansatz, bestehend aus Synthese, elektrochemischer Charakterisierung, theoretischer und numerischer Modellierung sowie einer Bandbreite an EPR-Techniken, untersucht. Die lamellar aufgebauten Zellen bestehen zunächst aus einer Lithium-Metall-Anode, einer lithiumionenleitenden Polymerelektrolytschicht, einem polymeren Anionen- und Kationenreservoir sowie einem anionenleitenden redoxaktiven Polymer als Kathode. Die Eigenschaften des Zelldesigns werden eingehend mit denen von PolyTEMPO, einem für Flüssigelektrolyte etablierten Redoxpolymersystem, verglichen.

Der Syntheseteil umfasst die Herstellung und Verarbeitung der Polymermaterialien zu lamellaren Verbundwerkstoffen sowie deren umfassende elektrochemische Charakterisierung. Dabei wird das Kathodenmaterial durch chemische Funktionalisierung speziell in Bezug auf Zellspannung, Lade- und Entladekinetik sowie der für Ladungsausgleich/Ladungstransfer wichtigen Anionenmobilität innerhalb der Kathode optimiert.

Details der Radikaltransfermechanismen und auftretender Ionenspezies werden mittels continuous-wave- und wenn möglich gepulsten EPR-Methoden aufgeklärt, wobei spektrale Merkmale reiner und zyklisierter Materialien (post mortem) verglichen werden, einschließlich der Aufklärung der Abstände und Verteilung auftretender Radikalspezies (PELDOR, DEER, ENDOR, HYSCORE). In-operando-EPR wird an ausgewählten Proben durchgeführt, um die zeitliche Entwicklung radikaler Spezies anhand ihres Fingerabdrucksignals zu verfolgen sowie molekulare Details der Ladungstransfersprozesse zu erfassen.

Zusätzliche Einblicke in mechanistische Details des Elektronen- und Ionentransports innerhalb des (Polymer-)Schichtverbundes werden durch theoretische und numerische Modellierung gewonnen. Es werden quantenchemische Methoden zur Charakterisierung elektronischer Eigenschaften der redoxaktiven Polymere eingesetzt, derweil weitreichender Ionentransport sowie etwaige Dotierungsmechanismen organischer Kathoden durch molekulardynamische (MD) Simulationen analysiert werden. Auch sollen MD-Simulationen durch Monte-Carlo-Schritte erweitert werden, um Elektronentransferprozesse über mehrere Monomere zu modellieren und im Abgleich mit experimentellen Daten nachzuvollziehen.

Insgesamt soll durch den systematischen Ansatz ein grundlegendes Verständnis relevanter elektrochemischer Prozesse, vom elementaren Elektronentransfer bis hin zum Ionentransport durch die Grenzflächen, erzielt werden. Diese Erkenntnisse dienen dabei als Leitfaden zur Identifizierung vielversprechender redoxaktiver Polymermaterialien sowie gezielten Gestaltung der Grenzflächen innerhalb der (Polymer-)Mehrschichtstrukturen, um die zukünftige Entwicklung leistungsfähiger und möglichst lösemittelarmer oder sogar lösemittelfreier organischer Radikalbatterien zu fördern. Dies schliesst die im Verbund entwickelten alternativen organischen Elektrodenmaterialien mit ein.