Das Projekt "Synthese, in-operando X-ray Spektroskopie und theoretische Modellierung von neuen Li-S Batterien mit zweifachen Redoxsystemen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Physikalisch-Technische Bundesanstalt durchgeführt. Lithium-Schwefel Batterien sind aufgrund ihres geringen Gewichts, der Verfügbarkeit des aktiven Materials, ihrer hohen theoretischen Kapazität, ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu existierenden Li-Ionen Batterien, ihrer kurzen Ladungszeiten sowie ihrer langen Lebensdauer vielversprechend für Energiespeicher. Organische Polymere mit elektronisch isolierten Redoxzentren sind attraktive Materialien für Batterieelektroden aufgrund ihres vielfältigen strukturellen Designs, ihrer Verarbeitung aus Lösung, der Verfügbarkeit der entsprechenden Elemente, und ihrer Skalierbarkeit. Solche Redoxpolymere weisen definierte Redoxpotentiale auf und erlauben die Herstellung von Batterien mit stabilen Lade/ Entladepotentialen. Gleichzeitig sind jedoch spezifische Kapazität und Energie limitiert. In diesem project sollen daher neue Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel Batterien mit zusätzlichen Redoxeinheiten synthetisiert, charakterisiert, modelliert und mit hochanspruchsvoller in-operando X-ray Spektroskopie untersucht werden. Redox-aktive Comonomere mit unterschiedlichem Redoxpotential sollen als Vernetzer für die inverse Vulkanisierung von elementarem Schwefel verwendet werden. In den so hergestellten Schwefel-Copolymernetzwerken kann durch das Vorhandensein des redoxaktiven Vernetzers zusätzliche Ladung gespeichert werden. Für die neuen Schwefel-Copolymernetzwerke werden weiterhin maßgeschneiderte Gelelektrolyte verwendet werden, die innerhalb eines erweiterten Potentialfensters stabil sind. Als Kontrolle werden Schwefel-Copolymernetzwerke ohne redox-aktiven Vernetzer verwendet. Die Synthese, Charakterisierung, Elektrodenherstellung, Optimierung des Elektrolyten sowie elektrochemische Untersuchungen werden an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Die neuen Batterieelektroden werden weiterhin an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt mittels in-operando, synchrotron-basierter Röntgenspektroskopie untersucht. So sollen in-operando near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) Spektroskopie, X-ray emission spectroscopy (XES) und referenzefreie X-ray Fluoreszenzanalyse (XRF) verwendet werden, um sowohl den gegenseitigen Einfluss der beiden Redoxsysteme (Schwefel und Redoxmonomer), mechanistische Details sowie Nebenreaktionen während dem Batteriebetrieb zu untersuchen. Diese Untersuchungen werden weiterhin durch theoretische Berechnungen der Universität Freiburg untermauert, um die Stabilität und elektronische Struktur der beteiligten Spezies zu verstehen. Der theoretische Teil umfasst auch die Berechnung von NEXAFS Spektren auf einer absoluten Skala, wodurch eine verlässliche Identifizierung von Intermediaten durch NEXAFS und XES möglich wird. Die Synergien dieses kombinierten theoretischen und experimentellen Projekts werden zu einem verbesserten mechanistischem Verständnis, und zuletzt zu stabileren und effizienteren Materialien für LiS Batterien führen.
Das Projekt "Teilprojekt Z 01: Herstellung von Mikroplastik-Partikeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Makromolekülforschung (BIMF) durchgeführt.
Das Projekt "Polyimidazole als Redox-aktive Elektroden für stark eutektische Elektrolyte in Polymer-Battierien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Ulm, Institut für Elektrochemie durchgeführt. In diesem Projekt werden wir Elektroden auf Basis von Polyimidazol mit stark eutektischen Lösungsmitteln als Elektrolyte kombinieren, um biokompatible und biologisch abbaubare Polymerbatterien mit hoher Leistung herzustellen. Polyimidazol kann aus natürlich vorkommenden Rohstoffen hergestellt werden. Im Gegensatz zu anderen konjugierten Redox-Polymeren ist die Ladung im Polyimidazol an isolierten dimeren Einheiten lokalisiert. Diese Besonderheit ermöglicht ein überlegenes und stabiles Verhalten beim Laden und Entladen. Stark eutektische Elektrolyte können ebenfalls aus natürlichen Ressourcen gewonnen werden. Viele stark eutektische Elektrolyten weisen darüber hinaus auch eine geringe Zytotoxizität auf. Um eine hohe Ladungsspeicherleistung zu erzielen, werden die Polyimidazol-Elektroden in Bezug auf Molekularstruktur, Oberfläche und Kompatibilität mit den stark eutektischen Elektrolyten optimiert. Hierzu werden die jeweiligen Phänomene an den Elektroden (bzw. den Grenzschichten) sukzessive elektrochemisch charakterisiert. Schließlich werden darüber hinaus die Biokompatibilität und -abbaubarkeit der verschiedenen Materialien unter Kompostierungsbedingungen untersucht.
Das Projekt "Entwicklung von Polymerelektrolyten komplementär zu Modellsystemen für Batterien auf Polymerbasis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (IOMC) durchgeführt. Ziel dieses gemeinsamen Projektes von IPF Dresden und FSU Jena ist die Entwicklung neuartiger Polymerelektrolyte, komplementär zu relevanten Modell-Aktivmaterialien, für polymerbasierte Batterien. Die zu entwickelnden Elektrolyte werden mit polymerchemischen Mitteln hinsichtlich Ionentransport, Morphologie, thermischer und elektrochemischer Stabilität und Kompatibilität mit den Elektroden (z.B. Aktivmaterial und Leitadditiv) maßgeschneidert. Neben der Erforschung prinzipieller Transportmechanismen, soll das Projekt einen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses von Elektrolytstruktur und der Grenzflächen zu den Elektroden auf die Zellleistung und, als Hauptziel, neue Erkenntnisse über den Zusammenhang von chemischer und morphologischer Struktur der Zellkomponenten und Batterieverhalten liefern. Dafür werden zuerst polymere Ionenleitersysteme für Einzelionen synthetisiert, die für Aktivmaterialen, die einen Anionentransport erfordern, geeignet sind. Der zweite Ansatz zielt darauf, auch Systeme mit einer Umkehr des Ladungstransports zu untersuchen, hierfür werden Aktivmaterialien mit geladenen Spezies ausgerüstet. Weiterhin werden Triblock-Copolymere entwickelt, die alle für eine molekulare Batterie notwendigen Komponenten enthalten.
Das Projekt "Redox-aktive organische Bausteine in linear-amorphen Polymeren im Vergleich zu hoch-geordneten COFs als hierarchisch-strukturierte Batterie-Elektrodenmaterialien - PROMISE" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Berlin (Humboldt-Univ.), Institut für Chemie - Organische und Bioorganische Chemie, Organische Chemie und funktionale Materialien durchgeführt. Obwohl eine große Anzahl redox-aktiver Bausteine basierend auf kleinen Molekülen und Polymeren bekannt ist, wurde bisher wenig über deren relative molekulare Ausrichtung und Anordnung in Polymermaterialien untersucht. Jedoch haben nicht-kovalente Wechselwirkungen sowie der Einfluss von kristalliner Ordnung und hierarchische Strukturierung durch Mehrkomponentensysteme einen signifikanten Einfluss auf die Batterieleistung. In diesem gemeinsamen Projektvorschlag werden systematische Vergleichsstudien redox-aktiver Bausteine in linearen Polymeren gegenüber deren Einbau in kovalent-organischen Gerüsten (COFs) durchgeführt. Lineare Polymere haben den Vorteil, dass Sie durch ihre Flexibilität die geladenen Bausteine mit supramolekularen Wechselwirkungen (pi-Stapelung) durch interne Aggregation stabilisieren können. Dahingegen sind die analogen zweidimensionalen COFs bereits intrinsisch gestapelt, haben jedoch den Nachteil der mikrokristallinen Struktur mit nur limitierter Elektrolytendiffussion. Die Synthese neuer 2D-COFs (Arbeitsgruppe Dumele) und deren korrespondierende lineare Polymere (Arbeitsgruppe Esser), die jeweils direkt vergleichbare redox-aktiven Untereinheiten tragen, sollen innerhalb dieses SPP-Projekts realisiert werden. Dabei werden fundamentale Mechanismen der Ladungs- und Radikalstabilisierung mit spektroskopischen und elektrochemischen Methoden untersucht. Es werden vergleichbare Batteriezellen aus COFs und linearen Polymeren als aktives Elektrodenmaterial hergestellt (Arbeitsgruppe Esser) und eine ausführliche Struktur-Leistung-Beziehung ausgearbeitet. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden versprechende Materialtypen weiter an den entsprechenden Parametern gezielt verbessert. Zum Beispiel können bei zu niedrigem Ladungstransport in den COFs zusätzliche leitfähige Polymere in deren Poren eingebettet werden, um die Limitationen dieses Materials zu überwinden. Weiterhin werden DFT-Rechnungen zur Unterstützung dieser Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Verbundprojektes über Polymerbatterien basierend auf flexiblen und kristallinen Grundgerüsten wird bei der fundamentalen Entwicklung von zukünftigen Energiespeichern eine entscheidende Rolle spielen.
Das Projekt "Polymere auf Basis von Quadratsäureamiden und Cyclopropen-Kationen als neue Elektrodenmaterialien zur Energiespeicherung: Synthese und elektrochemische Charakterisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Helmholtz Institut Ulm (HIU) für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) durchgeführt. Dieses Projekt zielt darauf ab, synthetisches und elektrochemisches Fachwissen zu kombinieren, um die Entwicklung neuer kleiner elektroaktiver organischer Moleküle und deren Einarbeitung in Polymere voranzutreiben. Die am häufigsten untersuchten organischen Radikalbatteriesysteme basieren auf TEMPO-haltigen Polymeren. Um jedoch ihre Leistung und insbesondere ihre Energiedichte zu verbessern, sind neuartige kleinere organische redoxaktive Moleküle dringend erforderlich. Hierbei konzentrieren wir uns auf die kleinsten bekannten redoxaktiven organischen Spezies, nämlich Derivate von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden. Sie sollen als Bausteine für eine neue Klasse von redoxaktiven Polymeren dienen, die sich als Materialien zur elektrochemischen Energiespeicherung eignen. Diese redoxaktiven Polymermaterialien in Organischen Radikalbatterien müssen eine Reihe von Kriterien erfüllen: (i) stabile und reversible Redoxzustände, (ii) einfacher synthetischer Zugang, sowie (iii) große positive und/oder negative Redoxpotenziale, um hohe Vollzellenspannungen zu erhalten.
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