Nachwuchsforschungsgruppe “Mechanistic Understanding“

Steckbrief:

• Name: Mechanistic Understanding
• Förderkennzeichen/Wettbewerb: 03XP0231
• Fördergeldgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
• Projektlaufzeit: Oktober 2019 bis Oktober 2024
• Fördervolumen: 1,5 Millionen Euro

Fokus Angewandte Elektrochemie

Keine Energiewende ohne leistungsstarke Energiespeicher. Das bedeutet nicht nur, neue Hochleistungsenergiespeicher zu entwickeln, sondern auch, das Potenzial bestehender Technologien – wie das der Lithium-Ionen-Batterie – voll auszuschöpfen und limitierende Faktoren zu beseitigen oder zu ersetzen. Dafür ist es notwendig, sämtliche Prozesse und Reaktionen in der Batterie bis ins kleinste Detail zu verstehen. Dieser Aufgabe widmet sich unsere Nachwuchsforschungsgruppe “Mechanistic Understanding“ am MEET Batterieforschungszentrum.

Mit einem Fokus auf der angewandten Elektrochemie konzentriert sich unser Team in diesem Bereich darauf, Ladungsübertragungs- und Redoxreaktionen zu verstehen und zu steuern. Denn sie beeinflussen maßgeblich die Leistung der Batterie und sind somit ein Schlüsselfaktor für eine optimierte Lithium-Ionen-Technologie. Mit diesem Forschungsschwerpunkt und ihren bisherigen Erkenntnissen nehmen unsere Wissenschaftler*innen eine Vorreiterrolle in der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie ein. Indem sie sich auf die Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Atomen spezialisieren, die bei Redoxreaktionen ablaufen, erhalten sie Einblicke in ein bisher wenig untersuchtes und gleichzeitig potenzialreiches Forschungsfeld.

Grenzen überwinden durch neue operando Analysemethoden

Für die nur schwer messbaren Veränderungen der Atome und ihrer Bindungen, die bei Redoxreaktionen auftreten, bedarf es umfangreicher und komplizierter analytischer Messverfahren. Dieser Herausforderung stellt sich unsere Nachwuchsforschungsgruppe. Um die analytischen Grenzen zu überwinden, entwickeln die Wissenschaftler*innen ständig neue, komplexe Charakterisierungstechniken und Auswertungsmethoden wie sie zum Beispiel für die Röntgenabsorptionsspektroskopie im Bereich der weichen Röntgenstrahlen notwendig ist. Bisher ist dafür ein Ultrahochvakuum erforderlich. Diese und weitere Neuentwicklungen wie auch methodische Anpassungen speziell für den komplexen Untersuchungsgegenstand Batterie ermöglichen es, die Energiespeicher operando und somit während der Nutzung zu untersuchen und detaillierte Messungen vorzunehmen. Durch die Kombination aus theoretisch fundierten und gleichzeitig innovativen experimentellen Ansätzen erhalten unsere Forscher*innen einzigartige Einblicke in Redoxreaktionen und den mit ihnen verbundenen strukturellen Änderungen in der Lithium-Ionen-Batterie. Dabei profitieren sie von der hochmodernen Laborausstattung des MEETs.

Darüber hinaus modifizieren unsere Wissenschaftler*innen bestehende und entwickeln neue Materialien für Lithium-Ionen-Batterien. So konzentrieren sie sich unter anderem auf anionische Dotierung von Schichtoxiden. Indem sie den Sauerstoff durch kleinste Mengen an Anionen ersetzen, haben sie die Möglichkeit, den elektronischen Charakter der Materialien gezielt zu modifizieren und so die Leistungsfähigkeit der Batterie signifikant zu erhöhen. Ebenfalls auf der Agenda unserer Nachwuchsforschungsgruppe steht die theoretische Analyse der Wechselwirkung einzelner Zellkomponenten. Sie fokussieren in diesem Zusammenhang beispielsweise das sogenannte „electrode balancing“, das Zusammenspiel der einzelnen Zellkomponenten, das während des Batteriebetriebs gestört werden kann, etwa durch hohe Ströme, Temperaturen von über 40 Grad Celsius und unter null Grad Celsius, lange Laufzeiten oder beim schnellen Laden. Dies kann wiederum zu massiven Leistungseinbrüchen bis hin zu Sicherheitsrisiken führen.

Richtungsweisende Analyse von Redoxreaktionen

Mit ihrem ganzheitlichen Ansatz hat unser Wissenschaftsteam bereits neue Standards in der Batterieforschung gesetzt. Als erste Forschergruppe haben sie experimentell nachgewiesen, dass Redoxreaktionen in der aus Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NCM) bestehenden Kathode auf einer reversiblen und damit wieder umkehrbaren Oxidation von Nickel sowie einer Hybridisierung mit Sauerstoff basieren. Damit haben sie das Verständnis von Redoxreaktionen und die mit ihr verbundenen Wechselwirkungen als wesentlichen Faktor für die Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterie identifiziert. Bis dato wurden Übergangsmetall und Sauerstoff überwiegend separat voneinander betrachtet. Damit der Elektronengehalt des Übergangsmetall konstant bleibt, greift es jedoch auf Elektronen des Sauerstoffs zu. Es kommt also zu einer Hybridisierung von Übergangsmetall und Sauerstoff. Ziel unserer Nachwuchsforschungsgruppe ist es nun, den Sauerstoff durch Atome zu ersetzen, die vermehrt Elektronen an das Übergangsmetall abgegeben können, um so mehr Ladung austauschen zu können. Auf diese Weise kann die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie entscheidend erhöht werden.