Redox-aktive kovalente organische Gerüste für Batterien auf der Basis von reichlich vorhandenen Metallen (Na, Mg, Al) (RACOF-NMA)

• Antragsteller: Professor Dr. Eike Brunner; Professor Dr. Xinliang Feng; Professor Dr. Stefan Kaskel
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441208651

Batterien, die auf reichlich vorhandenen Metallen wie Na, Mg und Al basieren, entwickeln sich aufgrund ihrer Kosteneffizienz und ihres natürlichen Vorkommens zu vielversprechenden Alternativen zu Li-Ionen-Batterien. Die Entwicklung hochleistungsfähiger Kathodenmaterialien mit überlegener Kapazität, Reversibilität und langfristiger Zyklierbarkeit bleibt jedoch eine große Herausforderung. Organische Verbindungen bieten mit ihren reichlich vorhandenen Ressourcen, ihren anpassbaren Strukturen und ihrer Designflexibilität eine Lösung und ermöglichen eine effiziente Energiespeicherung durch reversible Redoxreaktionen. Allerdings sind die Stabilität und Energiedichte organischer Verbindungen im Vergleich zu anorganischen Materialien geringer. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben redoxaktive kovalente organische Gerüste (COFs) als potenzielle organische Kathodenmaterialien für verschiedene Batterien Aufmerksamkeit erregt. COFs bieten programmierbare Ordnung, Stabilität, starre Gerüste und poröse Strukturen. Aufbauend auf den Fortschritten und Erkenntnissen der ersten Förderperiode zielt dieses Projekt darauf ab, neuartige redoxaktive COFs und geschwefelte/selenisierte COFs mit stabilen Bindungen (wie Imid, Vinylin, Thion-Enamin und Selenanthren) zu entwickeln und ihre Leistung in Batterien auf der Basis von reichlich vorhandenen Metallen (Na, Mg, Al) zu untersuchen. Moderne Methoden der kernmagnetischen Resonanz (NMR) werden eingesetzt, um die Mechanismen der Ionenspeicherung zu untersuchen. Ex-situ/operando NMR-Experimente werden Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Elektrodenmaterial und Kationen während der Spannungsanwendung sowie in potenzielle Alterungs- und Degradationsprozesse nach dem Zyklus liefern. Der erfolgreiche Abschluss dieses Projekts wird wertvolle Erkenntnisse über die Entwicklung günstiger COFs mit reichhaltigen redoxaktiven Zentren, chemisch stabilen Bindungen und gut definierten porösen Strukturen liefern. Diese Forschung trägt zur Weiterentwicklung von Batterietechnologien bei, indem sie die Struktur-Funktionsbeziehungen von redoxaktiven COFs aufklärt und so die künftige Entwicklung neuartiger hochleistungsfähiger organischer Elektroden für Batterien auf der Basis von reichlich vorhandenen Metallen befördert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2248: Polymer-basierte Batterien