Quantifizierung dynamischer Ionenkorrelationen in hochkonzentrierten Flüssigelektrolyten und ihrer Auswirkungen auf Ladungs- und Massentransport

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Roling; Professorin Dr. Monika Schönhoff
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504905154

Hochkonzentrierte Flüssigelektrolyte mit molaren Verhältnissen von Salz: Lösungsmittel von bis 1:1 besitzen vielversprechende Eigenschaften für Anwendungen im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung in Batterien und Superkondensatoren. Durch die hohen Ionenkonzentrationen treten starke Richtungskorrelationen bei der Bewegung von Kationen und Anionen auf, die sowohl den Ladungs- als auch den Massentransport beeinflussen. Eine theoretische Beschreibung der Transporteigenschaften kann mittels des Onsager-Formalismus in Kombination mit linearer Antworttheorie erfolgen. Zur experimentellen Charakterisierung der Transporteigenschaften werden üblicherweise nur so viele Messgrößen kombiniert wie unbedingt notwendig, was zu relativ großen Unsicherheitsintervallen bei den bestimmten Transportkoeffizienten führen kann. Im vorliegenden Antrag wird über diesen Ansatz hinausgegangen und durch Kombination elektrochemischer Messungen mit NMR-basierten Transportmessungen eine Messgröße mehr bestimmt als notwendig. In Kombination mit einer detaillierten Fehleranalyse sollen dadurch bei ausgewählten Elektrolyten sehr präzise Werte für die Onsager-Transportkoeffizienten erhalten werden und darauf basierend sehr exakte Informationen über Ladungs- und Massentransporteigenschaften gewonnen werden. Dieser Ansatz wird auf drei Li+-leitende Flüssigelektrolytsysteme angewendet: (i) Hochkonzentrierte Elektrolyte basierend auf organischen Carbonaten; (ii) Sulfolan-basierte hochkonzentrierte Elektrolyte; (iii) Lokal hochkonzentrierte Flüssigelektrolyte mit einem Carbonat als Salz-koordinierendem Solvens und einem fluorierten Ether als nicht-koordinierendem Solvenz. Durch die Verwendung von Lithiumsalzen mit unterschiedlich stark Li+-koordinierenden Anionen (FSI- schwächer, BF4- stärker) sollen gezielt Kation-Anion- und Kation-Lösungsmittel-Wechselwirkungen variiert und die Auswirkungen auf den Ladungs- und Massetransport untersucht werden. Darauf aufbauend sollen Leitlinien aufgestellt werden, wie die Wechselwirkungen in hochkonzentrierten Elektrolyten so ausbalanciert werden können, dass möglichst gute Ladungs- und Massentransporteigenschaften erreicht werden. Dadurch soll das Projekt zu einem verbesserten grundlegenden Verständnis der Zusammenhänge zwischen Wechselwirkungen in hochkonzentrierten Elektrolyten und Transporteigenschaften in Energiespeicherzellen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen