Fakultätsbericht 2016-2017

Lehrstuhl für Kohlenstoffnanomaterialien Prof. Dr. Philipp Adelhelm ProExzellenz II-Professur Forschungsschwerpunkte Die AG Adelhelm (seit 4/2015 in Jena) beschäftigt sich mit funktionalen Materialien und Elektrochemie. Derzeit liegt der Fokus auf elektrochemischen Energiespeichern (Batterien) mit hoher Energiedichte, die auf gut verfügbaren Elementen wie z.B. Natrium, Kohlenstoff, Eisen, Mangan oder Schwefel basieren. Dabei werden sowohl grundlegende, physikalisch-chemische Fragestellungen als auch anwendungs- nahe Aspekte untersucht.  Lithiumionen- und Natriumionenbatterien: Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss der Ionen- größe auf Zellreaktionen, Aufklärung von Unterschieden und Gemeinsamkeiten, Zellalterung  Neue Zellkonzepte: Feststoffbatterien, Metall-Schwefel-Batterien  Ternäre Graphitinterkalationsverbindungen und ihr Einsatz in elektrochemischen Zellen  Außerdem: Dünnschichtsysteme als Modellelektroden, Elektrokatalyse (CO 2 -Reduktion) 74 — FORSCHUNG Die Diskussion zur Verfügbarkeit von seltenen Elementen wie Lithium oder Cobalt führte auf- grund der großen Häufigkeit von Natrium in den letzten fünf Jahren weltweit zu einem starken Anstieg der Forschungsanstrengungen im Be- reich „Natriumionenbatterien“. Das Funktions- prinzip einer Lithiumionenbatterie und die Über- Lithiumionen- vs. Natriumionenbatterien tragung des Konzepts auf eine Natriumionenbat- terie sind in Abbildung 1 skizziert. Wissenschaftlich besonders interessant ist die Frage, welchen Einfluss die Ionengröße auf die Elektrodenreaktionen sowie die Elektrolyt- eigenschaften hat. Hier kommt es zu einigen Überraschungen. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass in Natrium/Sauerstoff-Batterien nicht das wie von Lithium/Sauerstoff-Batterien bekannte Peroxid, sondern ein Superoxid (NaO 2 ) entsteht. Der Entlade-/Ladevorgang verläuft da- bei überraschend effizient. Besonders kurios ist das Verhalten von Graphit. Obwohl Graphit in nahezu allen kommerziellen Lithiumionenbatterien Einsatz findet, lässt sich das Material nur durch einen Trick auch für die Speicherung von Natriumionen nutzen. Die Ein- lagerung der Natriumionen in die Graphitstruktur gelingt dabei durch Kointerkalation von Lösungs- mittelmolekülen. Es wird also nicht das Ion allein, sondern das solvatisierte Ion in die Elektrode eingelagert. Dieser Mechanismus unterscheidet sich grundsätzlich von allen anderen bekannten Interkalationsreaktionen und könnte möglicher- weise eine große Anzahl bisher unbekannter Elektrodenreaktionen ermöglichen. Sogenannte Konversionsreaktionen stellen eine weitere Möglichkeit dar, Elektroden mit hoher Speicherkapazität zu erhalten. Die AG Adelhelm untersucht hier derzeit verschiedene Abb. 1. Grundprinzip einer Lithiumionenbatterie sowie Übertragung auf eine Natriumionenbatterie. Die AG untersucht, wie die Ionengröße die Zellreaktion beeinflusst.