Elektrolyte

Die Abteilung für Elektrolyte am Helmholtz-Institut Münster widmet sich der Entwicklung und Optimierung relevanter Elektrolyte für Energiespeicher, insbesondere von Polymer- und Flüssigelektrolyten. Die Materialentwicklung beruht sowohl auf grundlegenden Aspekten wie der Erzielung eines optimalen Ladungsträgertransports als auch auf den Erfordernissen möglicher Anwendungsszenarien, einschließlich Verarbeitung der Materialien.

Charakterisierung und Simulation

Eine wissensbasierte Anpassung jeweiliger Elektrolyteigenschaften erfordert nicht nur elektrochemische Charakterisierung auf höchstem technisch-wissenschaftlichen Niveau, sondern auch die gezielte Anwendung von Simulationsmethoden auf Grundlage quantenchemischer Ansätze (DFT) sowie Kraftfeld-basierter Rechnungen (Molekulardynamik). Elektrolyteigenschaften werden unter der Berücksichtigung von Grenzflächen zu Elektroden sowie der Entwicklung von Strategien zur Materialverarbeitung beschrieben. Das Forschungsteam begleitet das Vorgehen durch die kontinuierliche Anpassung und Weiterentwicklung notwendiger experimenteller Methoden.

Vielversprechende Polymere

Ein Schwerpunkt der Elektrolytforschung am HI MS liegt in der Entwicklung vielversprechender Polymerelektrolyte zur Anwendung in Festkörperbatterien. Die Abteilung evaluiert verschiedene Materialklassen jeweils hinsichtlich unterschiedlicher anwendungsrelevanter Gesichtspunkte.

Die erzielbare ionische Leitfähigkeit des Materials hängt maßgeblich von der Art der mobilen Ladungsträger sowie von Wechselwirkungen derselben mit dem Polymerrückgrat oder funktionellen Gruppen der Polymerseitenketten ab. Diese können beispielsweise in Kooperation mit Partnerinnen und Partnern aus der Industrie und Forschung mittels Molekulardynamik-Simulationen ermittelt werden und weitere Anhaltspunkte zur Optimierung der Elektrolyte liefern.

Weitere Ansätze zur Materialentwicklung können durch Kombination verschiedener Materialklassen (z.B. Polymer-Oxidkeramik-Hybride) und Strategien zur Verarbeitung der Polymere zu Membranen (z.B. durch Extrusion) für den Zellbau oder aus der Analyse des Ladungstransfers an Elektrodengrenzflächen gewonnen werden.

Optimierung von Grenzflächen und Beschichtungen

Weitere Schwerpunkte bilden die Anpassung und die Verarbeitung funktioneller Beschichtungen für Elektroden, die Weiterentwicklung additiv-gestützter Flüssigelektrolytformulierungen sowie Arbeiten zur Optimierung jeweiliger Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt. Letztere ist insbesondere für die elektrochemische Performanz und Lebensdauer von Batterien wesentlich.

Alle Themenfelder werden durch ein interdisziplinäres Team bearbeitet und umfassen entsprechend eine Reihe moderner Charakterisierungsmethoden und Syntheseverfahren. Zudem werden die Untersuchungen der Elektrolyt-Gruppe am HI MS durch intensiven kooperativen Austausch mit internen und externen Partneri:nnen vorangetrieben. Das Helmholtz-Institut Münster bildet gemeinsam mit dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster ein interdisziplinäres Team für theoretische Untersuchungen im Bereich der Elektrolytforschung.

Auswahl Publikationen:

Nature Reviews Electrical Engineering 2024, 1, 79, DOI: 10.1038/s44287-023-00006-5

ACS Applied Materials & Interfaces 2024, 16, 21932, DOI: 10.1021/acsami.4c02095

Chemical Engineering Journal 2024, 485, 149547, DOI: 10.1016/j.cej.2024.149547

ACS Applied Energy Materials 2024, 7, 5893, DOI: 10.1021/acsaem.4c01117

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2024, 121, e2311732121, DOI: 10.1073/pnas.2311732121

Joule 2023, 7, 1471, DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.006

Advanced Functional Materials 2023, 33, 2300501, DOI: 10.1002/adfm.202300501

ACS Applied Energy Materials 2023, 6, 4422, DOI: 10.1021/acsaem.3c00571

Advanced Energy Materials 2023, 13, 2202789, DOI: 10.1002/aenm.202202789

Journal of Colloid and Interface Science 2023, 649, 804, DOI: 10.1016/j.jcis.2023.06.147

ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 53636, DOI: 10.1021/acsami.2c13408

Macromolecular Rapid Communications 2022, 43, 2200335, DOI: 10.1002/marc.202200335

Journal of Power Sources 2022, 538, 231528, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231528

ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 5211, DOI: 10.1021/acsami.1c19097

ACS Applied Materials & Interfaces 2021, 13, 39257, DOI: 10.1021/acsami.1c08841

Angewandte Chemie, International Edition 2021, 60, DOI: 10.1002/anie.202016716

ACS Applied Polymer Materials 2021, 3, 1573, DOI: 10.1021/acsapm.0c01398

Macromolecules 2021, 54, 11101, DOI: 10.1021/acs.macromol.1c02147

Weitere Informationen finden Sie hier:

• FestBatt
• Universität-Münster-Gruppe für Physikalische Chemie