Kontrollierte Sulfidierung und Derivatisierung von Berliner Blau Strukturen zur Erzeugung elektrochemischer stabiler Nanohybride von Metallsulfid und Kohlenstoff

• Antragstellerin: Dr. Samantha Husmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463914313

Funktionale Materialien, insbesondere solche, wie sie in Batterien verwendet werden, erfordern ein hohes Maß an komplementärem Design. Oftmals führen schon geringe Änderungen der Zusammensetzung, Kristallstruktur, Morphologie oder Phasenverteilung zu sehr großen Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften. Aus diesem Grund ist es wichtig, genau zu verstehen, wie Synthesebedingungen, Materialeigenschaften und die elektrochemischen Eigenschaften miteinander korrelieren. Dies kann nur sinnvoller Weise auf der Basis von Struktur/Eigenschaftsbeziehungen etabliert werden. Ein besonders gutes und zugleich herausforderungsvolles Beispiel sind Metallsulfide. Diese benötigen sowohl die nanoskalige Adaptierung an eine elektrisch leitfähige Phase (Kohlenstoff) als auch eine optimierte Struktur und Morphologie. Nur so lassen sich die theoretisch sehr hohen Leistungsmerkmale von Metallsulfid-Batterieelektroden auch langzeitstabil nutzen.Der vorliegende Antrag (Modul Eigene Stelle; Erstantragstellung) adressiert diese Punkte am Beispiel von Berliner Blau und daraus abgeleiteten Strukturen (PBA - M[M’(CN)6]). Das hohe Maß an Modifizierbarkeit der PBA Zusammensetzung ermöglicht es, dass aus PBA abgeleitetes Metallsulfid und gleichzeitig bei der Synthese entstehender Kohlenstoff, der als Leitadditiv fungiert, gezielt modifiziert werden können. Schwefel wird bei der Synthese über H2S Gas zugeführt, während das Übergangsmetall und Kohlenstoff bereits in der PBA Struktur vorhanden sind. PBA ist dabei ein kostenattraktives und zuverlässig wiederholbar herstellbares Material, das sowohl an Luft als auch in Wasser stabil ist. Vorarbeiten der Antragstellerin belegen die Machbarkeit des Vorhabens; zugleich zeigen die Vorarbeiten aber auch auf, dass es sehr komplexe Korrelationen zwischen Syntheseparameters, Materialeigenschaften und elektrochemischen Eigenschaften gibt. Diese können nur auf Basis komplementärer Untersuchungsmethoden, insbesondere unter Einbeziehung von Post Mortem und In Situ Methoden, aufgeklärt werden. Hierzu werden systematische Variationen der PBA Synthese sowie bei der Überführung in Metallsulfid/Kohlenstoff-Nanohybride durchgeführt werden. Diese Elektrodenmaterialien werden der Eigenschaftscharakterisierung in Bezug auf Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien.Das Projekt ist ein wichtiger Meilenstein für den Aufbau eines eigenständigen Forschungsprofils der Antragstellerin. Dies gilt in Bezug auf das Forschungsthema, aber auch in Bezug auf die im Projekt dargestellte Vernetzungsaktivität mit dem Leibniz Institut in Greifswald (XPS Analyse) und der University of Liverpool (hochauflösendes TEM).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen