Kohlenstoff Spherogel Monolithe für elektrochemische Anwendungen (SPHEROGEL)

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471780969

Dieses Projekt bewegt sich im Forschungsfeld von monolithischen Kohlenstoff Aerogelen, die als Hochleistungselektrodenmaterialien für die elektrochemische Energiespeicherung angesehen werden (z.B. in Superkondensatoren). Monolithische Kohlenstoff Spherogele, die ausschließlich aus Hohlkugeln aufgebaut sind und erst kürzlich entdeckt wurden, offerieren eine einmalige Kombination von Eigenschaften, genauer gesagt freistehend und reversibel komprimierbare Körper mit sehr hohen Oberflächen, hohen elektrochemischen Kapazitäten und Laderaten, sowie einer gezielten Kontrolle über die Mikromorphologie des Materials. Außerdem lassen sich Kohlenstoff Spherogele auch als hybride Variante, also durch die Einkapselung von Metalloxiden in die Hohlkugeln, herstellen.Hypothesen/Forschungsfragen/Ziele. (A) Die Synthese von freistehenden, reversibel komprimierbaren Kohlenstoff Aerogelen mit außergewöhnlich hoher Homogenität der Mikrostruktur und Oberflächen bis zu 2500 m2 / g soll erforscht werden mit Hinblick auf den Innendurchmesser der Hohlkugeln, die Wandstärke sowie mögliche, nachträgliche chemische Behandlungen. Mit dem Hinblick auf Einsatz in Superkondensatoren, wird ihr elektrochemisches Verhalten unter Kompression in Korrelation zu Phänomenen wie Ionentransport oder Ladungsfortschritt untersucht. (B) Die Implementierung von Metalloxiden in die Kohlenstoff Spherogel Struktur (hybride Kohlenstoff Spherogele) soll durch den Einsatz von funktionalen Polystyrol Kugeln als Templat oder Kokondensationsstrategien realisiert werden. Solche hybriden Kohlenstoff Spherogele werden dann mit Fokus auf den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien hin untersucht, wo ein effektives Zusammenspiel von Kohlenstoff als elektrisch leitende Komponente und einer Redox-aktiven Phase (Nicht-Kohlenstoff) von höchster Wichtigkeit ist, um hohe Leistung und ein stabiles Lade/Entlade Verhalten zu erreichen.Ansatz/Methoden. Die methodische Strategie des Projekts besteht aus einer Sol-Gel basierten Synthese von (hybriden) Kohlenstoff Spherogel Materialien, einer detaillierten Analyse von Morphologie, chemischer Zusammensetzung und Porenstruktur, sowie dem Einbau in Zellen für elektrochemische Untersuchungen für Anwendungen in Superkondensatoren.Neuheitsgrad/Innovationsgrad. Verglichen mit gewöhnlichen Kohlenstoff Aerogelen auf Basis von Resorcin-Formaldehyd ist unsere templatbasierte Methode zu Kohlenstoff Spherogelen, die wir 2019 etablieren konnten, eine Methode mit hohem Potenzial um die Kohlenstoffstruktur in einem weiten Rahmen, aber mit geringer Abweichung zu variieren. Derartige homogene, monolithische Kohlenstoffe, die gleichzeitig auch noch ein mechanisch reversibel komprimierbares Verhalten zeigen sind bis jetzt nicht bekannt. Eingehende elektrochemische Untersuchungen werden ihr Potential für zukünftige Energiespeicheranwendungen eruieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Dr. Michael Elsaesser