Jahresbericht 2018-2019

Lehrstuhl für Kohlenstoffnanomaterialien Prof. Dr. Philipp Adelhelm ProExzellenz II-Professur Forschungsschwerpunkte Die AG Adelhelm beschäftigt sich mit funktionalen Materialien und Elektrochemie. Derzeit liegt der Fokus auf elektrochemischen Energiespeichern (Batterien) mit hoher Energiedichte, die auf gut verfüg- baren Elementen wie z.B. Natrium, Kohlenstoff, Eisen, Mangan oder Schwefel basieren. Dabei werden sowohl grundlegende, physikalisch-chemische Fragestellungen als auch anwendungsnahe 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, Schichtoxide, Intermetallische Phasen.  In situ Analytik zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen (Dilatometrie, Gasanalytik, Druckanalytik) Die Diskussion zur Verfügbarkeit von seltenen Elementen wie Lithium oder Kobalt führte auf- grund der großen Häufigkeit von Natrium in den letzten Jahren weltweit zu einem starken Anstieg der Forschungsanstrengungen im Bereich „Na- triumionenbatterien“. Hierbei gilt es, in Analogie zu Lithiumionenbatterien, geeignete Elektroden- materialien und Elektrolyte zu identifizieren, mit denen sich eine reversible Zellchemie darstellen lässt. Die AG Adelhelm beschäftigt sich hier mit verschiedenen Materialklassen, meist anorgani- schen Festkörpern sowie Verbundmaterialien. Im Berichtszeitraum wurden hier insbesonde- re Graphite, Metall/Kohlenstoff-Verbund- materialien, Schichtoxide sowie Sulfide unter- sucht. In der Regel werden diese festen Materia- lien in elektrochemischen Zellen mit flüssigem Elektrolyten untersucht. Dies entspricht dem am häufigsten eingesetzten „Zellkonzept“ (feste Elektroden, flüssiger Elektrolyt), auf welchem fast alle kommerziellen Batterien wie Bleibatterien, Lithiumionenbatterien oder auch Alkali-Mangan- Zellen basieren. Primäres Ziel der Forschungsak- tivitäten ist die Aufklärung des Phasenverhaltens der Elektroden, d.h. welche Phasen während der Lithiierung bzw. Sodiierung der Elektrode entstehen. Lithiumionen – vs. Natriumionenbatterien Darüber hinaus beschäftigte sich die AG Adelhelm mit alternativen Zellkonzepten wie Feststoffbatterien (feste Elektroden, fester Elekt- rolyt) und Zellen mit flüssiger Elektrode und fes- tem Elektrolyt. Mit Blick auf mögliche Anwen- dungen verspricht man sich von Feststoffbatte- rien eine besonders hohe Energiedichte und er- höhte Sicherheit. Die Elektrochemie solcher „all- solid-state“-Zellen ist aber komplex und erfordert Grundlagenforschung im Bereich der Materia- lien. Batterien mit flüssigen Elektroden sind inte- ressant, da diese wie bei Redox-Flow-Systemen gepumpt werden können. Die Speicherkapazität wird dadurch über einen Tank skalierbar. Hier beschäftigte sich die AG Adelhelm mit Natrium- Schwefel-Batterien, welche bei Umgebungstem- peratur betrieben werden können. Wichtige Kooperationspartner im Berichts- zeitraum waren die Arbeitsgruppen Balducci, Wondraczek, Dietzek, Langenhorst (FSU Jena), Stelter (FSU Jena/Fraunhofer IKTS), Mollenhauer (JLU Gießen), Armbrüster (TU Chemnitz), Passe- rini (HIU Ulm), Winter (HIMS Münster), Zhao und Hu (Chinese Academy of Sciences), Rojo (CIC Energigune, Spanien), Komaba (TUS, Japan) und Titirici (Imperial College London, UK). 80 — FORSCHUNG