Polymere können als Energiespeichermaterialien in Dünnschichtbatterien und polymerbasierten Redox-Flow-Batterien (RFB) eingesetzt werden und so zukünftig eine wichtige Rolle für die Energiewende spielen. So wurde unter anderem ein neues, hydrophiles Speichermaterial in einer wasserbasierten Polymer-Zink-Dünnschichtbatterie eingesetzt, die Ladezeiten von nur wenigen Minuten und Lebensdauern von weit über 500 LadeEntlade-Zyklen erreichte. Dies wurde möglich indem geringe Mengen löslichkeitsvermittelnder Einheiten in das Polymer eingebaut wurden, welche die Benetzung der Elektroden mit dem wasserbasierten Elektrolyten erleichterte [4]. Im RFB-Bereich wurde die Forschung an neuen, hyperverzweigten Polymeren aufgenommen. Diese spezielle Art der Molekülarchitektur führt zu kompakteren Makromolekülen, welche die Viskositäten der polymerhaltigen RFB-Elektrolyten senken und damit höhere Konzentrationen des Speichermaterials ermöglichen. Damit lässt sich perspektivisch die Energiedichte von Polymer-RFBs deutlich steigern [5]. Eine besonders interessante Synergie aus den beiden Forschungsbereichen der polymerbasierten Batterien ergab sich durch die Entwicklung einer RFB mit einem Feststoffreservoir aus Polymeren im Speichertank. Diese Materialien waren ursprünglich für die Dünnschichtbatterien entwickelte worden [6]. Diese Kombination aus den Forschungsergebnissen beider BatterietechPolymere für die Energiespeicherung nologien könnte so zukünftig die Energiedichte von polymerbasierten RFBs erhöhen und zieht damit einen zusätzlichen Mehrwert aus den langjährigen Forschungstätigkeiten der AG Schubert an beiden Technologien. Die AG Schubert stellt den Sprecher und vier Teilprojekte im SPP 2248 „Polymer-based batteries“. [4] Elbinger L., Schröter E., Friebe C., Hager M. D., Schubert U. S. (2022): Hydrophilic crosslinked TEMPO‐methacrylate copolymers–a straight forward approach towards aqueous semi‐organic batteries. ChemSusChem, DOI: 10.1002/cssc.202200830. [5] Ehtiati K., Anufriev I., Friebe C., Volodin I. A., Stolze C., Muench S., Festag G., Nischang I., Hager M. D., Schubert U. S. (2024): Hyperbranched TEMPO-based polymers as catholytes for redox flow battery applications. RSC Advances, DOI: 10.1039/d4ra03925d. [6] Schröter E., Stolze C., Meyer J., Hager M. D., Schubert U. S. (2023): Organic redox targeting flow battery utilizing a hydrophilic polymer and its in-operando characterization via state-of-charge monitoring of the redox mediator. ChemSusChem, DOI: 10.1002/cssc.202300296. Abb. 2. Polymerbasierte Batterien in zwei Formen: Dünnschichtbatterien (links) und Redox-Flow-Batterien (rechts). Fotos: Jan-Peter Kasper Intelligente und nachhaltige Polymere Materialien, die durch einen äußeren Stimulus ihre Eigenschaften ändern können, sind für eine Vielzahl von Anwendungen relevant. Hierbei sind besonders Vitrimere im Fokus, die durch reversible Bindungen intelligente Eigenschaften, aber auch ein Recycling, ermöglichen. Beispielsweise sind Formgedächtnismaterialien basierend auf Metall-Ligand-Wechselwirkungen oder Halogenbrücken in der Lage, nach Deformation ihre ursprüngliche Form wiederherzustellen (siehe Abbildung 3) [7,8]. In weiteren Forschungsprojekten widmet sich die AG Schubert der Untersuchung von selbstheilenden Materialien [9]. In der DFGForschungsgruppe FOR 5301 werden diese Prinzipien der Selbstheilung in funktionale Materialien übertragen, z.B. für Batterieanwendungen oder Solarzellen. Abb. 3. Darstellung des Formgedächtnis- und Selbstheilungsverhaltens von Metallopolymeren [7]. [7] Meurer J., Bätz T., Hniopek J., Bernt C., Schmitt M., Popp J., Hager M. D., Schubert U.S. (2022): Application of orthogonal metal–ligand interactions for the synthesis of interpenetrating metallopolymer networks featuring shape-memory and self-healing abilities. Journal of Materials Chemistry A, 10, 25106-25117, DOI: 10.1039/ D2TA06053A. [8] Meurer J., Kampes R. H., Bätz T., Hniopek J., Müschke O., Kimmig J., Zechel S., Schmitt M., Popp J., Hager M. D., Schubert U.S. (2022): 3D-printable shape-memory polymers based on halogen bond interactions. Advanced Functional Materials, 32, 2207313, DOI: 10.1002/ adfm.202207313. [9] Kampes R., Meurer J., Hniopek J., Bernt C., Zechel S., Schmitt M., Popp J., Hager M. D., Schubert U. S. (2022): Exploring the principles of self-healing polymers based on halogen bond interactions. Frontiers in Soft Matter, 2, 973821, DOI: 10.3389/frsfm.2022.973821. FORSCHUNG — 93
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