Fakultätsbericht 2016-2017

Abb. 2. Hochreversible Interkalation solvatisierter Natriumionen in Graphit unter Ausbildung einer ternären Graphitinterkalationsverbindung (hier: Na + solvatisiert durch Diglyme). FORSCHUNG — 75 Neue Zellkonzepte: Feststoffbatterien und Metall/Schwefel-Batterien Abb. 3. Querschnitt der Elektrode einer Feststoffbatte- rie, in der beim Entladen Lithium und Kupfersulfid zu Kupfer und Li 2 S umgewandelt wurden. Anstelle des üblichen flüssigen Elektrolyten wurde hier ein kerami- scher Festelektrolyt eingesetzt (eigene Arbeiten, REM- Bild in Kooperation mit Uni Gießen). Wesentliche Verbesserungen im Vergleich zu konventionellen Lithiumionenbatterien könnten durch alternative Zellkonzepte wie „Metall-Schwe- fel-Batterien“ oder auch „Feststoffbatterien“ er- möglicht werden. Erstere zeigen eine sehr kom- plexe Zellchemie, die bisher schlecht verstanden ist. Die AG Adelhelm versucht hier insbesondere die Redoxchemie von Schwefel zu verstehen so- wie die Wiederaufladbarkeit von Raumtempera- tur-Natrium/Schwefel-Batterien zu verbessern. Bei Feststoffbatterien wird der brennbare Flüs- sigelektrolyt konventioneller Batterien durch ei- nen Feststoff ersetzt, was neben höherer Sicher- heit potenziell auch eine höhere Energiedichte ermöglicht. [6] Busche, M.R., Drossel. T., Leichtweiss. T., Weber. D.A., Falk. M., Schneider. M., Reich. M.-L., Sommer. H., Adelhelm. P, Janek. J. (2016): Dynamic formation of a solid-liquid electrolyte interphase and ist consequences for hybrid-battery concepts. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2470. [7] Medenbach, L., Adelhelm, P. (2017): Cell concepts of Metal-Sulfur batteries (Metal = Li, Na, K, Mg): Strategies for using sulfur in energy storage applications. Topics in Current Chemistry, DOI: 10.1007/ s41061-017-0168-x. Materialien (Legierungen, Oxide, Sulfide). Beson- ders Kupferoxid wurde eingehend charakterisiert. Dies gelang durch den Einsatz verschiedenster elektrochemischer Methoden sowie einer Reihe von (in situ) Charakterisierungsmethoden. Modell- elektroden auf Basis gesputterter Dünnschichten erlaubten dabei besonders genaue Untersuchungen. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass sich die Reaktion von CuO in „Lithium-“ und „Natrium- ionenbatterien“ in vieler Hinsicht unterscheidet. Besonders überraschend ist, dass in Natriumzellen auch der Sauerstoff redoxaktiv zu sein scheint. [1] Nayak, P., Yang, L., Brehm, W., Adelhelm, P. (2017): From lithium- ion to sodium-ion batteries: Advantages, Challenges, and Surprises. Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201703772. [2] Jache, B., Binder J. O., Abe, T., Adelhelm P. (2016): A comparative study on the impact of different glymes and their derivatives as electrolyte solvents for graphite co-intercalation electrodes in lithium- ion and sodium-ion batteries, Phys. Chem. Chem. Phys., DOI: 10.1039/ C6CP00651E. [3] Klein, F., Pinedo, R., Hering, P., Polity, A., Janek, J., Adelhelm, P. (2016): Reaction Mechanism and Surface Film Formation of Conversion Materials for Lithium- and Sodium-Ion Batteries: A XPS Case Study on Sputtered Copper Oxide (CuO) Thin Film Model Electrodes. J. Phys. Chem. C. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b10642. [4] Klein, F., Pinedo, R., Berkes, B., Janek, J., Adelhelm, P. (2017): Kinetics and Degradation Processes of CuO as Conversion Electrode for Sodium-Ion Batteries: An Electrochemical Study Combined with Pressure Monitoring and DEMS . J. Phys. Chem. C. DOI: 10.1021/ acs.jpcc.6b11149. [5] Goktas, M., Bolli, C., Berg, E. J., Novák, P., Pollok, K., Langenhorst, F., Roeder, M. v., Lenchuk, O., Mollenhauer, D., Adelhelm, P. (2018): Graphite as Cointercalation Electrode for Sodium-ion Batteries: Electrode Dynamics and the Missing Solid Electrolyte Interphase (SEI), Adv. Energy. Mater., DOI: 10.1002/aenm.201702724.