Elektrogesponnene, ionenleitfähige Polymermembranen als Festkörperelektrolyte

• Antragsteller: Professor Dr. Tom Nilges; Professor Dr. Leo van Wüllen
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421749423

Im beantragten Projekt streben wir an, elektrogesponnene Festelektrolytsysteme mit unter-schiedlich koordinierenden Polymermatrices und verschiedenen mobilen Ionen zu synthetisieren, die elektrochemischen Eigenschaften zu optimieren und die zugrundeliegenden Leitfähig-keitsmechanismen zu bestimmen. Aus vier unterschiedlichen Polymeren, ausgesuchten Li-, Na- und Mg-Leitsalzen und Additiven werden mittels Elektrospinning Fasermembranen dargestellt und diese auf ihre thermischen, mechanischen und elektrochemischen Stabilitäten und Eigenschaften hin untersucht. Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVdF) sollen mit darin gelösten Leitsalzen zu dünnen Fasermembranen versponnnen und mittels Thermoanalyse, Röntgenbeugung und temperaturabhängiger Impedanzspektroskopie auf ihre Kristallinität und Ionenleitfähigkeit getestet werden. Anschließend werden die vielversprechendsten ionenleitenden Systeme Festkörper-NMR-spektroskopisch untersucht, um die lokale Ionendynamik zu verstehen. Elektrogesponnene Li- und Na-Leitsalz@PEO Systeme zeigen gegenüber bisher bekannten gegossenen oder heißgepressten Membranen eine um bis zu zwei Größenordnungen höhere Ionenleitfähigkeit, bei geringerer Leitsalzkonzentration und vergleichbarer elektrochemischer Stabilität. Selbst PVdF zeigt als elektrogesponnenen Membran eine signifikante Ionenleitfähigkeit bei Umsetzung mit LiBF4. Nach erfolgreicher Darstellung und Identifizierung der elektrogesponnenen Festkörperelektrolytmembranen werden die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften durch Zugabe von Weichmachern und nano-skaligen Inertmaterialien optimiert. Basierend auf den spektroskopischen Ergebnissen sollen die zugrundeliegenden Leitfähigkeitsmechanismen der unterschiedlichen Membransysteme aufgeklärt werden. Aufgrund der intrinsischen Anisotropie der elektrogesponnenen Fasermembranen wird dieser Mechanismus sich vermutlich signifikant von gegossenen Membranen unterscheiden. Angestrebt werden Festelektrolytmembranen mit Leit-fähigkeiten von > 10−3 S cm−1 bei Raumtemperatur, einer thermischen Beständigkeit von mehr als 80°C und einer ausreichenden mechanischen und elektrochemischen Stabilität. Ziel ist es, die signifikante Steigerung der Ionenmobilität und des Ionentransports in den elektrogesponnenen Festelektrolytmembranen gegenüber konventionell dargestellten gegossenen oder heißgepressten Systemen zu verstehen und solche Materialien für die Nutzung in Festkörperionenbatterien oder Super-Kondensatoren zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen