Dr. Simon Fleischmann: InfinBAT
Elektrochemische Energiespeicher wie die Lithium-Ionen-Batterie sind allgegenwärtig und verzeichnen durch die zunehmende Elektrifizierung von Automobilen eine wachsende Nachfrage. Das Projekt „InfinBAT“ entwickelt neuartige Elektrodenmaterialien, um die gegenwärtigen Limitationen von Batterien hinsichtlich Schnellladefähigkeit und Lebensdauer zu überwinden.
Die Lithium-Ionen-Batterie ist derzeit die marktführende Technologie für mobile Energiespeicher in Elektronik und Mobilitätsanwendungen. Sie verfügt über zwei Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative (Anode), zwischen welchen positiv geladene Lithium-Ionen beim Laden bzw. Entladen ausgetauscht werden. Der ratenlimitierende Schritt, also die Ursache für lange Ladezeiten einer Batterie, ist dabei der Transport (die Diffusion) der Lithium-Ionen durch das Kristallgitter der Elektrodenmaterialien. Zudem müssen sich die Kristallgitter ausdehnen, um die Ionen aufnehmen zu können und entsprechend wieder kontrahieren, um diese abzugeben. Diese mechanischen Beanspruchungen führen nach vielen Lade- und Entladezyklen zu einer limitierten Lebensdauer der Batterie.
Beide Probleme versucht das Projekt „InfinBAT - Zwischenschicht-funktionalisierte Materialien für neuartige elektrochemische Interkalationsbatterien“ durch die Entwicklung einer neuen Materialplattform der Zwischenschicht-funktionalisierten Materialien zu lösen.
Kürzere Ladezeiten und längere Lebensdauer für Batterien
Ausgehend von typischen Elektrodenmaterialien derzeitiger Batterien wird eine Funktionalisierung des Zwischenschichtraums – also der Region des Kristallgitters, in der die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen transportiert werden – vorgenommen. Dazu werden kleine organische Moleküle durch chemische Reaktionen in die Kristallgitter eingebaut, um den Zwischenschichtraum aufzuweiten und zu stabilisieren, vergleichbar mit Stützbalken in einem Schacht.
Durch die Aufweitung des Zwischenschichtraums kann einerseits der Transport der Lithium-Ionen beschleunigt werden - die Batterie wird leistungsfähiger. Andererseits wird die Ausdehnung und Kontraktion beim Einlagern bzw. Entfernen der Ionen reduziert oder gar eliminiert, da die eingebauten Moleküle die einzelnen Atomlagen der Kristallgitter immobilisieren. Dadurch reduziert sich die mechanische Beanspruchung der Kristallgitter, was die Lebensdauer der Batterie erhöhen wird und zudem für eine reduzierte Wärmeentwicklung im Betrieb sorgen kann.
Schließlich ist durch den vergrößerten Transportweg für Ionen in der Zwischenschicht der Kristallgitter die Ersetzung von kleinen Lithium-Ionen durch größere Ladungsträger, wie z.B. Natrium- oder Magnesium-Ionen denkbar, was die Nachhaltigkeit derzeitiger Batterien weiter erhöhen wird.
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Simon Fleischmann
Herr Dr. Simon Fleischmann studierte Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes und der Luleå University of Technology (Schweden). Von 2016 - 2018 promovierte er am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien und der Universität des Saarlandes zum Thema hybrider elektrochemischer Energiespeicher. Im Anschluss erforschte er von 2019 bis 2020 als PostDoc an der North Carolina State University (USA) die Energiespeicher-Eigenschaften funktionalisierter Schichtmaterialien. Von Januar bis Oktober 2021 führt er im Rahmen des RS2E Young Energy Storage Scientist Award ein eigenständiges Forschungsprojekt am CIRIMAT in Toulouse (Frankreich) durch. Seit November 2021 leitet er am Helmholtz-Institut Ulm die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe InfinBAT.