Hybridmaterialien für elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung Prof. Dr. Yan Lu Gemeinsame Professur der Kooperation der Universität Jena und des HZBs am HIPOLE Jena (Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen Jena) — seit 10/2024 Forschungsschwerpunkte Die Forschung in der AG Lu fokussiert auf die Entwicklung von Post Lithium-Ionen Batteriesystemen (z. B. Lithium-Schwefel Batterien) durch die Herstellung neuartiger Batteriematerialien und mechanistische Untersuchungen mittels Operando-Analyse. Insbesondere werden funktionelle Hybridmaterialien auf der Basis von polymeren kolloidalen Partikeln designt, synthetisiert und für Prototypen von PouchZellen skaliert. Die Forschung zielt darauf ab, die elektrochemischen Leistungen zu verbessern und die Mechanismen des Fehlers und des Abbaus von Batterien zu verstehen. Das sind die Forschungsschwerpunkte: • Design und kontrollierbare Synthese von neuartigen Elektrodenmaterialien wie ElektrokatalysatorNanopartikeln über kolloidale Verfahren • Fortgeschrittene Charakterisierung von Batteriematerialien und Grenzflächen mittels kryogener Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) • Operando/in-situ Analyse (auf Synchrotron basierende Methoden) von Batteriematerialien und -systemen während des Batteriebetriebs 124 — FORSCHUNG Abb. 1: (a) Schematische Darstellung der VCOF-SPE. (b) Ionenleitfähigkeit als Funktion der Temperatur. Bild: AG Lu Feste Polymerelektrolyte auf der Basis von Polyethylenoxid (PEO) sind vielversprechend für Lithium-Metall-Festkörperbatterien. Ihre Kommerzialisierung ist jedoch aufgrund des Eindringens von Lithiumdendriten durch die geringe mechanische Festigkeit und die schlechte Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur (10-8–10-7 S cm-¹) aufgrund der hohen PEO-Kristallinität schwierig. Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte die Gruppe von Lu einen leistungsstarken Komposit-Elektrolyten, indem sie ein vinylenverknüpftes kovalent-organisches Framework (VCOF) in die PEO-Matrix einfügte (Abb. 1). Die geordneten zylindrischen Kanäle des VCOF erleichterten die Feste Polymerelektrolyte: Abstimmung der ionischen Leitfähigkeit und der Batterieleistung gerichtete Li+-Migration und erhöhten die Ionenleitfähigkeit und die Li+-Übertragungszahl. Wie durch In-situ Röntgentomografie nachgewiesen wurde, wird die Bildung von Dendriten an der LiElektrolyt-Grenzfläche aufgrund der verbesserten mechanischen Stabilität durch die VCOF-Verstärkung unterdrückt. Die optimierte VCOF-SPE ermöglichte es, dass Festkörper-Li- Metall-PouchZellen eine außergewöhnliche Zyklenstabilität und Missbrauchstoleranz erreichen. Die Arbeit demonstriert eine skalierbare Strategie zur gleichzeitigen Verbesserung des Ionentransports und der mechanischen Integrität in Polymerelektrolyten, wodurch sicherere Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte entwickelt werden können [1]. [1] Yang J., Lin C., Wang Y., Xu Y., Pham D. T., Meng X., Tran K. V., Cao S., Kardjilov N., Hilger A., Epping J. D., Manke I., Thomas A., Lu Y. (2024): Enhancing ionic conductivity and suppressing Li dendrite formation in lithium batteries using a vinylene-linked covalent organic framework solid polymer electrolyte, Journal of Materials Chemistry A, DOI. 10.1039/ D3TA04822E.
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