Aktuelles

Ein neuer Weg in der Chemie

In der modernen chemischen Forschung ist die Entwicklung neuer Methoden zur Synthese von komplexen Molekülen ein ständiges Ziel. Ein besonders spannendes Gebiet ist das Zusammenspiel von fluorierten Verbindungen, die in der Pharmazie, in Agrochemikalien und Materialwissenschaften eine große Rolle spielen. Die theoretischen Forscher der Universität Ulm haben gemeinsam mit internationalen Kollegen nun eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, solche Moleküle einfacher und effizienter als je zuvor herzustellen.

Die Rolle von Palladium und Silber

Im Zentrum der neuen Methode steht die Verwendung von zwei Metallen, Palladium (Pd) und Silber (Ag), die in einem speziellen chemischen Prozess als Katalysatoren dienen. Katalysatoren (Stoffe, die eine Reaktion beschleunigen, ohne selbst verbraucht zu werden) sind essenziell, um chemische Reaktionen effizienter zu gestalten. Palladium und Silber wurden in einer Form verwendet, die es erlaubt, ohne zusätzliche komplexe Chemikalien (Liganden) auszukommen, was den Prozess vereinfacht und beschleunigt.

Was ist oxidative C-H Arylierung?

Die Methode, die in dieser Forschung verwendet wird, heißt oxidative C-H Arylierung. Dabei werden Wasserstoffatome in einem Molekül durch eine Arylgruppe (eine Gruppe, die aus einem Benzolring besteht) ersetzt. Diese Modifikation ist besonders wertvoll bei fluorierten Verbindungen, also Molekülen, die Fluoratome enthalten, weil sie die Eigenschaften des Moleküls dramatisch verändern kann.

Fortschritt mit DMF

Ein Schlüsselaspekt der neuen Methode ist die Verwendung eines Lösungsmittels namens DMF (Dimethylformamid), das die Reaktion erleichtert und zu höheren Ausbeuten führt. Die Reaktion erfolgt sogar in Anwesenheit von Luft, was in der chemischen Synthese nicht selbstverständlich ist, da viele Reaktionen unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt werden müssen.

Die Vorteile dieser Methode

Die neue Methode bietet viele Vorteile: Sie erfordert weniger Schritte und Chemikalien, reduziert Abfall und Kosten und ist allgemein weniger energieintensiv. Die Ulmer Forscher, die von der Dr. Babara Metz Stark Stiftung unterstützt werden, konnten zeigen, dass mit dieser Methode fluorierte Biaryle (Moleküle, die aus zwei über eine Bindung verknüpften Ringen bestehen) mit einer Effizienz von bis zu 98 % hergestellt werden können. Diese hohe Effizienz ist besonders für die industrielle Anwendung attraktiv.

Ergebnisse der neuen Synthesemethode

In der neuen Methode wurde eine bestimmte Art von chemischer Reaktion, bekannt als Homocoupling, beobachtet. Diese Reaktion verbindet zwei Arylgruppen miteinander. Diese Verbindung war häufiger als die Verbindung einer Arylgruppe mit einer Arylfluor-Gruppe (ArF). Dieses Ergebnis könnte durch die stärkeren Säureeigenschaften einer speziellen Borverbindung erklärt werden, die schnellere Reaktionen ermöglicht.

Interessanterweise führte der Einsatz von Silber nicht dazu, dass die Bor-Kohlenstoff-Bindung in aryl-Bpin aktiviert wurde. Allerdings wurde bei der Verwendung von Silberoxid (Ag₂O) eine bemerkenswerte Veränderung beobachtet: Ein Wasserstoffatom in C₆F₅H wurde in Deuterium umgewandelt. Deuterium ist eine schwere Form von Wasserstoff. Diese Umwandlung geschah, ohne dass eine komplexe Bindung mit Ag₂O nachgewiesen wurde.

Diese Beobachtungen wurden durch theoretische Berechnungen bestätigt. Diese Berechnungen zeigten, wie die Reaktion abläuft, welche Veränderungen in den Bindungen der Moleküle stattfinden und welche Zwischenprodukte dabei entstehen.

Zukunftsperspektiven

Die Einführung dieser neuen Methode könnte die Herstellung von fluorierten Verbindungen revolutionieren und führt möglicherweise zu neuen Arzneimitteln und Materialien, die unsere Lebensqualität verbessern. Die Wissenschaftler arbeiten weiterhin daran, die Anwendungen dieser Technik zu erweitern und noch umweltfreundlicher zu gestalten.

Angesichts des wachsenden Bedarfs an effizienten und ressourcenschonenden Energiespeichersystemen haben Batterien, die auf mehrwertigen Ionen (Ionen mit mehr als einem positiven oder negativen Ladungsanteil) basieren, erhebliches Interesse geweckt, so dass die Forschung hieran von der Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung unterstützt wird. Diese bieten potenziell höhere Energiedichten und niedrigere Kosten als die derzeit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Unter diesen alternativen Batterien der nächsten Generation zeichnen sich insbesondere wiederaufladbare Magnesiumbatterien (RMB) durch die hervorragenden Eigenschaften der Magnesiumanode aus. Magnesium (Mg) weist ein deutlich niedrigeres Standard-Reduktionspotenzial (eine Vergleichsbasis für Elektrodenpotentiale) als andere Metalle auf und besitzt eine volumetrische Kapazität, die nahezu doppelt so hoch ist wie die von Lithium und dreimal so hoch wie die von Natrium. Darüber hinaus ist Magnesium in der Erdkruste stark verbreitet (etwa 104-mal häufiger als Lithium) und ist  weniger anfällig für die Bildung von Dendriten (baumartige Metallstrukturen, die während des Batterieladevorgangs entstehen können und die Leistung beeinträchtigen), was experimentell und theoretisch bestätigt wurde.

Da Mg-Ionen in flüssigen Elektrolyten häufig zu stark gebunden sind für schnelle Ladenzyklen, werden für Mg-Ionen Batterien bevorzugt Festkörperelektrolyte eingesetzt. Damit können auch weitere Nachteile flüssiger Zellsysteme umgangen werden, wie die Passivierung (die Bildung einer oberflächlichen Schutzschicht, die zu geringeren Ladungsraten führen kann) und Korrosion der Mg-Elektrode, und außerdem eine geringere Anfälligkeit für Dendritenbildung sowie ein höheres Sicherheitsniveau gewährleistet werden. Hierbei stellt die Entwicklung eines festen Elektrolyten (ein Festkörpermaterial, das Ionen leitet, aber keine Elektronen), der eine ausreichende Mg-Ionen-Leitfähigkeit bei Raumtemperatur aufweist, eine der Hauptherausforderungen dar. Die hohe Ladungsdichte des Mg^2+, resultiert in einer wesentlich stärkeren Coulomb-Wechselwirkung (die elektrostatische Anziehung zwischen geladenen Teilchen) im festen Wirtsgitter, was typischerweise zu einer trägen Mg-Ionenbeweglichkeit führt. Aus diesem Grund ist das Design der Kristallstruktur ausschlaggebend, da mehrere strukturelle Faktoren die starken Coulomb-Wechselwirkungen, die das Mg^2+-Ion erfährt, abschwächen können.

Materialien, die miteinander verbundene 3D-Wege bieten, wie Spinellverbindungen (eine Art von Kristallstruktur), stellen bessere Plattformen zur Unterstützung einer schnellen Ionendiffusion dar, während 2D- und 1D-Wege leichter blockiert werden können. Spinellstrukturen wie MgB2X4 haben den Vorteil, dass sie große Abstände zwischen den wandernden Magnesium-Ionen und den benachbarten Ionen bieten. Diese größeren Abstände reduzieren die starke Anziehung zwischen den negativ geladenen Anionen des Kristallgitters und den positiv geladenen Mg-Kationen, was den Ionentransport erleichtert und wichtig für die Leitung von mehrwertigen Ionen auch bei Raumtemperatur sein kann.

Strukturinformationen der MgB2Se4-Spinelle

Die MgB2Se4-Struktur besteht aus einer kubischen Anordnung von Se-Anionen, wobei Mg-Ionen tetraedrische und B-Ionen oktaedrische Positionen besetzen. Die 25Mg-MAS-NMR-Spektroskopie (eine Technik zur Untersuchung der lokalen chemischen Umgebung von Kernen in Feststoffen) bestätigte, dass die Mg-Ionen ausschließlich in diesen tetraedrischen Lagen lokalisiert sind, was eine hohe Symmetrie der lokalen Umgebung anzeigt.

Energieverteilte Röntgenspektroskopie (EDS, eine Methode zur Bestimmung der Elementverteilung in Proben) in Kombination mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) zeigte eine gleichmäßige Verteilung der Elemente und bestätigte die Spinellstoichiometrie (das Verhältnis der verschiedenen Elemente in der Verbindung). Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ergab typische Partikelgrößen im Mikrometerbereich und unterstützte weiterhin die Identifizierung der Spinellstruktur.

Elektronische Leitfähigkeit 

Um die elektronische Leitfähigkeit der MgB2Se4-Spinelle zu definieren, wurden elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS, eine Technik zur Messung des Widerstands eines Materials gegen den elektrischen Stromfluss) und Chronoamperometrie (CA, eine Methode zur Aufzeichnung der Stromänderung über die Zeit) durchgeführt. Symmetrische sogenannte Pouch-Zellen mit einer Spinellpellet zwischen Goldschichten als ionenblockierende Elektroden wurden in den Experimenten eingesetzt.[AG1]  Die Analyse der Nyquist-Diagramme (Graphen, die den Widerstand gegen Frequenzänderungen darstellen) zeigte ähnliche Muster wie bei früheren Studien, was darauf hindeutet, dass diese Spinelle ebenfalls gemischte Leiter sind (Materialien, die sowohl Ionen als auch Elektronen leiten können).

Die berechnete elektronische Leitfähigkeit der neuen Spinelle war bis zu hundertfach höher als bei MgSc2Se4, trotz des kleineren direkten Bandabstands (die Energielücke zwischen den Energiebändern, die bestimmt, wie leicht Elektronen den Leitfähigkeitszustand erreichen können). Dies deutet darauf hin, dass die Art der Verunreinigungen einen erheblichen Einfluss auf die elektronische Leitfähigkeit hat. Insbesondere die Spinelle mit höheren Anteilen an elektronisch leitenden Verunreinigungen wie Er2Se3 und Y2Se3 zeigten eine deutlich höhere Leitfähigkeit. Dies verdeutlicht die Rolle, die sowohl Verunreinigungen als auch die Mikrostruktur des Materials bei der Bestimmung seiner Eigenschaften spielen. Um die Selbstentladung zu minimieren, ist eine Optimierung der Synthese und die Reinheit der Ausgangsmaterialien oder der Einsatz von elektronenblockierenden Zwischenschichten erforderlich.

Ionenleitfähigkeit und Mg²⁺ Migrationsbarriere

Für die Untersuchungen der Ionenleitfähigkeit und der Migrationsbarrieren von Mg²⁺ (die Energie, die benötigt wird, um Mg²⁺-Ionen durch ein Material zu bewegen) in den Spinellen, wird eine Sandwich-Zellkonfiguration verwendet. Diese Konfiguration enthält Zwischenschichten, die Mg-Ionen leiten, aber gleichzeitig Elektronen blockieren, eingebettet zwischen den Spinellpellets und Edelstahlelektroden. 

Die Untersuchung zeigte, dass die Ionenleitfähigkeiten über verschiedene Schichtdicken konstant bleiben und die Migrationsbarrieren für Mg²⁺ ähnlich sind, was auf eine konsistente Ionentransportfähigkeit innerhalb der Spinelle hindeutet. 

Computergestützte Untersuchung der Einflüsse auf die Migrationsbarriere Ea(th)

In einer computergestützten Studie wurde die Bewegung von Mg-Ionen innerhalb der Spinellstruktur analysiert, die typischerweise über einen interstitiellen Mechanismus abläuft, bei dem die Ionen von anfänglichen tetraedrischen Standorten über ein leeres Oktaeder zu finalen tetraedrischen Standorten wechseln. Die Energieunterschiede zwischen diesen Standorten, bekannt als Standortpräferenzenergie, beeinflussen die Migrationsbarrieren. Interessanterweise zeigen Mg-Lanthanid-Spinelle niedrigere Barrieren, wenn die Standortpräferenzenergie maximiert wird, was der üblichen Annahme widerspricht.

Die Studie untersuchte weiterhin den Einfluss der trigonalen Verzerrung (eine Verformung der Kristallstruktur aufgrund von Größenunterschieden der Ionen) auf die Geometrie des Migrationspfades, indem Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen mit der sogenannten Nudged Elastic Band (NEB)-Methode kombiniert wurden. Diese Methode hilft, die Energieprofile entlang der Migrationspfade zu berechnen. Es wurde festgestellt, dass mit zunehmendem Ionenradius des B-Metalls die Standortpräferenzenergie signifikant zur Gesamtmigrationsbarriere beiträgt, während bei kleineren Ionenradien der Beitrag der kinetisch aufgelösten Barrieren (EKRA, die Energie, die unabhängig von der Richtung die Bewegungshindernisse beschreibt) steigt und die Standortpräferenzenergie abnimmt.

Diese Trends werden auf die trigonale Verzerrung zurückgeführt, die durch die Größenunterschiede zwischen den A-Metallen (z.B. Mg) in tetraedrischen und den B-Metallen in oktaedrischen Standorten innerhalb der Spinellstruktur verursacht wird. Diese Unterschiede führen zu einer Neigung der Oktaeder, was die Flächen der Tetraeder vergrößert und die Volumenverhältnisse verändert. Die kontinuierliche Stabilisierung des Übergangszustandes mit zunehmendem Ionenradius wird durch die lineare Abhängigkeit von EKRA von der Fläche der dreieckigen Flächen, die Tetraeder und Oktaeder teilen, begründet.

Elektrochemische Stabilität und Zyklusverhalten

Die elektrochemische Stabilität des UiO66-MgIL Ionogel-Elektrolyts und der entsprechenden Spinell-Pellets wurde durch lineare Sweep-Voltammetrie (LSV, ein Verfahren zur Messung von Stromänderungen bei angelegter Spannung) getestet. Bei Raumtemperatur beginnt der Oxidationsstrom (Strom, der entsteht, wenn Elektronen verloren gehen) zwischen 3.7 V und 3.9 V zu steigen, während der Reduktionsstrom (Strom, der bei Elektronenaufnahme auftritt) ab –1.1 V merklich zunimmt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stabilität der Zellen durch den UiO66-MgIL Elektrolyt begrenzt wird und nicht durch die Spinelle selbst, die möglicherweise stabiler sind.

Interessanterweise zeigen alle Reduktionskurven zwei Peaks, was auf eine zweistufige Reduktion des Elektrolyts hinweisen könnte. Bei erhöhter Temperatur (60 °C) verschmelzen diese Peaks und das Stabilitätsfenster verkleinert sich, was auf einen verstärkten Abbau des Elektrolyts oder seiner Bestandteile hinweist.

Hinsichtlich der Zyklusleistung zeigen alle getesteten MgB2Se4-Spinelle bei 60 °C ein reversibles Mg-Abscheiden und Auflösen in einer symmetrischen Zelle. Diese Zellen zeigten ein stabiles Verhalten mit einem Überpotential von etwa ±0.4 V, was besser und gleichmäßiger ist als bei der Vergleichszelle (±0.5 V). Dies könnte durch die Trennung der Ionogelschicht durch ein festes Spinellpellet in der Zelle begünstigt sein.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit haben die Forscher erfolgreich drei MgB2Se4-Spinelle (B = Er, Tm, Y) mit einer Fd-3m Raumgruppe synthetisiert, die eine gemischte Leitfähigkeit aufweisen, ähnlich ihrem Prototyp MgSc2Se4. Um die Ionenleitfähigkeit genau zu bestimmen, wurden in den elektrochemischen Zellen rein Mg-Ionen leitende Zwischenschichten eingeführt, welche den Elektronentransport effektiv blockierten. 

Die resultierenden Raumtemperatur-Ionenleitfähigkeiten sind teilweise höher als die des MgSc2Se4 aus früheren Studien. Zudem zeigen die elektrochemischen Untersuchungen, dass alle vier Spinelle elektrochemisch stabil sind und reversible Mg-Abscheidung/-Auflösung ermöglichen. Die experimentell bestimmten Mg-Ionen Migrationsbarrieren stimmen hervorragend mit den von Forschern der Universität Ulm mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechneten Barrieren überein.

Darüber hinaus wurde der deutliche Einfluss der trigonalen Verzerrung auf die Geometrie des Migrationsweges und damit auf die Migrationsbarriere demonstriert. Dies offenbart die lineare Korrelation des geometrischen Deskriptors, basierend auf dem Verhältnis der Bindungsabstände in oktaedrischen und tetraedrischen Standorten, zu den kinetischen und statischen Beiträgen der Gesamtmigrationsbarriere.

Ausblick

Die erfolgreiche Synthese und Charakterisierung der MgB2Se4-Spinelle eröffnet aufregende Möglichkeiten für die weitere Forschung und Anwendung in der Batterietechnologie. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, die elektronische Leitfähigkeit dieser Materialien weiter zu minimieren, um ihre Effizienz und Lebensdauer als Festelektrolyte zu verbessern. Dies könnte durch die Optimierung der Syntheseprozesse oder durch die Entwicklung neuartiger Zwischenschichten erreicht werden, die Elektronenbewegungen effektiver blockieren.

Darüber hinaus ist es entscheidend, die Wechselwirkungen zwischen den Spinellen und verschiedenen Kathodenmaterialien zu untersuchen, um die Kompatibilität und das Gesamtverhalten von Batteriezellen zu verstehen. Die Integration dieser Spinelle in kommerzielle Batteriesysteme könnte eine Herausforderung darstellen, die genaue Anpassungen der Zellarchitektur erfordert.

Langfristig könnte die Forschung auch darauf abzielen, die Umweltverträglichkeit und Kosteneffizienz dieser Materialien zu verbessern, was ihre Attraktivität für breitere industrielle Anwendungen steigern würde. Die Entwicklung von Recyclingstrategien für diese fortgeschrittenen Materialien wird ebenfalls eine wichtige Rolle spielen, um ihre Nachhaltigkeit zu sichern.

Indem wir die grundlegenden Eigenschaften dieser neuen Klasse von Spinellen weiter erforschen und verstehen, können wir die Tür zu leistungsfähigeren, sichereren und umweltfreundlicheren Energiespeichersystemen weit aufstoßen.

Die Notwendigkeit für nachhaltige Batterietechnologien

In der modernen Welt sind Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie speichern Energie für vieles, von mobilen Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen. Doch die begrenzten Lithiumreserven und Umweltbedenken treiben die Forschung voran, nachhaltigere Alternativen wie Natrium-Ionen-Batterien (NIBs) zu entwickeln. Diese nutzen Natrium, das im Vergleich zu Lithium in der Erdkruste wesentlich häufiger vorkommt.

Kohlenstoffbasierte Materialien als Anoden

Während Graphit das bevorzugte Anodenmaterial für LIBs ist, zeigt es nur eine geringe Kapazität für die Einlagerung von Natriumionen. Hier kommen hartkohlenstoffartige Materialien (Hard Carbons, HCs) ins Spiel, die eine vielversprechende Alternative bieten. HCs zeichnen sich durch eine spezielle poröse Struktur aus, die eine höhere Kapazität und bessere Einlagerungsmöglichkeiten für Natriumionen ermöglicht.

Die Rolle von Defekten in Hard Carbons

HC besteht aus einer Anordnung von graphit-artigen flachen Flocken, die ein Gerüst für eine offene Struktur bilden, in denen sich die Natriumionen als kleine nanoskalige Metallcluster einlagern können. Zusätzlich spielen  die in der Graphitstruktur vorhandenen Defekte eine wichtige Rolle. Diese Defekte, oft als Unregelmäßigkeiten oder Unvollkommenheiten innerhalb der kristallinen Matrix beschrieben, erweitern den Abstand zwischen den Graphenlagen und ermöglichen es größeren Ionen wie Natrium, sich einzulagern. Defekte können als "Türen" betrachtet werden, die den Ionen den Zugang in das Innere des Materials erleichtern.

1. Pristine Graphite (Unbeschädigter Graphit) bezieht sich auf die ideale, defektfreie Struktur von Graphit. Graphit besteht aus übereinander gestapelten Schichten von Graphen, einem Material aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Muster angeordnet sind. 
2. Mono-vacancy (MV) bezeichnet einen Defekt, der durch das Fehlen eines einzelnen Kohlenstoffatoms in der Graphenschicht entsteht. Dies führt zu einer Lücke im hexagonalen Muster, was die elektronischen Eigenschaften des Materials lokal verändert. Die drei angrenzenden Kohlenstoffatome um die Lücke sind unterkoordiniert, was bedeutet, dass sie weniger als die üblichen drei Bindungen aufweisen, was die chemische Reaktivität am Defektort erhöhen kann.
3. Stone-Wales defect (SW) ist ein topologischer Defekt, der durch die Rotation einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung um 90° entsteht. Dadurch werden zwei benachbarte Hexagone in zwei Pentagone (fünfseitige Strukturen) und zwei Heptagone (siebenseitige Strukturen) umgewandelt. Diese Art von Defekt kann die mechanischen und elektronischen Eigenschaften des Graphits beeinflussen.
4. Double rotation (DR) beinhaltet eine doppelte Bindungsrotation, die ähnlich wie der Stone-Wales-Defekt mehrere Hexagone in eine Kombination aus Heptagonen, Pentagonen und möglicherweise einem Tetragon (viereckige Struktur) verwandelt. Dieser Defekt ist komplexer und kann noch stärkere Auswirkungen auf die Eigenschaften des Materials haben.
5. Mono-vacancy + Stone-Wales (MSW) kombiniert eine Mono-Vacancy mit einem Stone-Wales-Defekt, was zu einer noch unregelmäßigeren und komplexeren Defektstruktur führt. Die Kombination dieser beiden Defekttypen kann zu einer signifikanten Veränderung der lokalen elektronischen Struktur und Reaktivität führen.
6. Add atom (AA) oder Zusatzatom ist ein Kohlenstoffatom, das zusätzlich auf die Graphenoberfläche aufgebracht wird, oft auf eine Brücke zwischen zwei vorhandenen Kohlenstoffatomen oder direkt auf ein Kohlenstoffatom in der Schicht. Dies kann die elektronische Struktur und die physikalischen Eigenschaften des Materials beeinflussen, insbesondere im Hinblick auf die Leitfähigkeit.
7. Diese Ansicht zeigt eine seitliche Perspektive der Graphitstruktur, um zu verdeutlichen, wie Defekte innerhalb der Schichten entstehen können. 

Wie funktioniert die Ionen-Einlagerung in Hard Carbons?

Die gewünschte Einlagerung von Ionen in HCs geschieht durch deren Einfügung in die Hohlräume zwischen den Graphit-artigen Teilchen. Zusätzlich können sich die Ionen zwischen den Kohlenstoffschichten der Teilchen einlagern.  Defekte und erhöhte Schichtabstände spielen eine entscheidende Rolle bei diesem Prozess. Allerdings sind die Natriumionen in diesen Kohlenstoffschichten zu stark gebunden, so dass sie nicht mehr an den Lade-Endlade-Zyklen teilnehmen können, was die Kapazität der Batterie beträchtlich verringert. Ein tieferes Verständnis dieser Prozesse auf atomarer Ebene, das durch Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) gewonnen wird, ist entscheidend für die Weiterentwicklung dieser Technologie.

Neueste Erkenntnisse aus der Forschung

Die Forscher der Universität Ulm, die durch die Dr. Barbara Mez Starck Stiftung unterstützt werden, haben in dieser Studie herausgefunden, dass die spezifischen Arten und Konfigurationen von Defekten in den hartkohlenstoffartigen Materialien (HCs) eine signifikante Rolle bei der Stabilisierung der Einlagerung von Natrium- und Kaliumionen spielen. Durch die Untersuchung verschiedener Defekttypen mittels Dichtefunktionaltheorie konnten sie zeigen, dass bestimmte Defekte die Einlagerungskapazität erheblich erhöhen, indem sie die Ionen stärker an das Material binden. Diese Erkenntnisse ermöglichen ein gezielteres Design von Anodenmaterialien, bei denen solche Defekte vermieden werden, um eine höhere Effizienz und Kapazität bei der Energiespeicherung zu erreichen.

Zukünftige Forschung

Einer der Hauptnachteile von HCs ist die Schwierigkeit, genau zu verstehen, wie strukturelle Defekte die Leistung beeinflussen. Aktuelle Forschungen zielen darauf ab, die Bindungen und Wechselwirkungen zwischen den Ionen und den Defekten zu entschlüsseln, um so Materialien mit optimierter Leistung zu entwickeln. Diese Forschungen könnten letztendlich zu effizienteren und kostengünstigeren Batterien führen.

Die vielversprechende Zukunft von Natrium-Ionen-Batterien

Natrium-Ionen-Batterien stehen möglicherweise am Anfang einer neuen Ära der Energiespeichertechnologie. Sie bieten eine realistische und nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere in Anwendungen, bei denen die Kosten und Verfügbarkeit von Materialien eine Rolle spielen. Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung könnten sie eine Schlüsselrolle in einer umweltfreundlicheren Zukunft spielen, indem sie eine zuverlässige, kostengünstige und zugängliche Technologie für die Energiespeicherung bieten.

In der Welt der modernen Technologie spielen Batterien eine zentrale Rolle in der Energieversorgung unserer alltäglichen Geräte. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, die wiederaufladbaren Batterien, die in Smartphones und Elektroautos verwendet werden, sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie treiben alles an, von Handys bis hin zu Elektroautos. Doch trotz ihrer weit verbreiteten Nutzung stehen Wissenschaftler vor der Herausforderung, ihre Leistungsfähigkeit noch weiter zu verbessern. Der Schlüssel dazu liegt in einem Prozess namens elektrochemische Ionen-Interkalation. Dies ist ein Vorgang, bei dem Ionen, geladene Atome, in einem festen Wirtsmaterial gespeichert und wieder freigegeben werden, wobei das Material selbst nur geringfügige strukturelle Veränderungen durchmacht.

Um die Leistungsfähigkeit dieser Batterien zu steigern, ist es notwendig, die Geschwindigkeit und Kapazität der Ionenbewegung innerhalb des Batteriematerials zu verbessern. Forschungen haben gezeigt, dass Vanadiumoxide, insbesondere die bilayered V2O5 Phase (δ-V2O5), aufgrund ihrer Fähigkeit, verschiedene Kationen wie Lithium, Natrium und Zink aufzunehmen, besonders vielversprechend sind. Diese Materialien können durch verschiedene chemische Methoden hergestellt werden, was eine Reihe von Strukturen ermöglicht und sie zu einem idealen Modellsystem für die Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften macht.

Ein neuer Ansatz zur Überwindung der kinetischen Beschränkungen, also der Geschwindigkeitsbegrenzungen, dieser Materialien ist die direkte Anpassung der Gitterparameter, insbesondere des Abstands zwischen den Schichten. Dies wird erreicht, indem man sogenannte molekulare Säulen, d.h. molekulare Säulen oder Abstandshalter, in die Struktur des Materials einfügt, was zu einer Vergrößerung des Zwischenraums führt und dadurch die Beweglichkeit der Ionen verbessert. Diese molekulare Säulen Methoden, die sowohl einfache Ionen als auch komplexe Moleküle oder Polymere umfassen können, haben gezeigt, dass sie die Aufnahmekapazität und die Reaktionsgeschwindigkeit der Batterien verbessern können.

Das Ziel dieser Forschungen an der Universität Ulm ist es, durch systematische Untersuchungen ein tieferes Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen den molekularen Säulen und dem Wirtsmaterial zu entwickeln und so die Struktur und die Elektrochemie dieser aufgeweiteten Wirtsmaterialien besser zu verstehen. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, um die Eigenschaften der Materialien gezielt verbessern zu können und letztendlich leistungsfähigere und effizientere Batterien zu entwickeln.

Materialsynthese

In einem speziellen Laborprozess wurden Vanadiumoxid-Materialien mit der Zusammensetzung V₂O₅ mithilfe von chemischen Verfahren entwickelt. Dazu wurden Alkyldiamine, eine Gruppe von Chemikalien, die Stickstoff enthalten, und Vanadium in einem Behälter, der sowohl Druck als auch hohen Temperaturen standhält, gemischt und erhitzt. Die Homogenität und Qualität dieser synthetisierten Materialien wurden anschließend geprüft.

Mikroskopische Untersuchungen

Um die innere Struktur und Qualität der Materialien zu analysieren, kamen zwei wichtige mikroskopische Techniken zum Einsatz:

• Rasterelektronenmikroskopie (REM): Diese Methode verwendet Elektronenstrahlen, um detaillierte Bilder von Materialoberflächen zu erstellen.

• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): Hierbei wird ebenfalls mit Elektronenstrahlen gearbeitet, jedoch werden diese durch die Probe hindurchgeschickt, um innere Strukturen sichtbar zu machen.

Diese Techniken helfen die Kristallstruktur, also die Anordnung der Atome im Kristall, die Morphologie (Form und Struktur) und die chemische Zusammensetzung der Materialien genau zu bestimmen.

Elektrodenherstellung

Für die Nutzung in Batterien wurden spezielle Elektroden, die einen wichtigen Bestandteil der Batterie bilden, aus den synthetisierten Materialien gefertigt. Die Materialmischung für die Elektroden enthielt Carbon Black (eine Form von sehr feinem Kohlenstoff) und PVDF (ein Kunststoff namens Polyvinylidenfluorid), die auf Aluminiumfolie aufgetragen und getrocknet wurden. Diese Elektroden sind entscheidend für die Leistung der Batterien.

Elektrochemische Charakterisierung

Die Leistung dieser Elektroden wurde in Testzellen unter Laborbedingungen getestet. Dabei wurde untersucht, wie gut die Elektroden elektrische Ladung aufnehmen und abgeben können. Verschiedene Tests zeigten, wie sich die Elektroden unter verschiedenen Belastungen verhalten und wie langlebig sie sind.

Computergestützte Modellierung

Mithilfe von Dichtefunktionaltheorie (DFT), einer Methode der Quantenmechanik, wurden die elektronischen Eigenschaften der Materialien untersucht. Insbesondere wurde analysiert, wie Lithiumionen innerhalb der Struktur wandern, was für die Entwicklung effizienterer Batterien von großer Bedeutung ist.

Verknüpfung von Nano-Einschlussgeometrie und elektrochemischen Eigenschaften

Das Hauptziel dieser durch die Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung geförderte Forschungsarbeit ist es, einen klaren Zusammenhang zwischen der Nano-Einschlussgeometrie eines geschichteten Wirtsmaterials, insbesondere das Bilagensystem V₂O₅, und den daraus resultierenden elektrochemischen Eigenschaften der Ioneninterkalation herzustellen. Für dieses Ziel wurden Modell-Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen, gut definierten Zwischenraumabständen synthetisiert. Diese Abstände wurden durch den Einsatz von Alkyldiaminen verschiedener Längen erreicht, die als molekulare Säulen/Spacer innerhalb der Zwischenschichten fungieren. Die detaillierten Syntheseverfahren dieser Proben werden in Abbildung 1 veranschaulicht die zeigt, wie Alkyldiamine in einer Wasser-/Ethanolmischung mit α-V2O5-Pulver behandelt werden, um die gewünschten strukturellen Anpassungen zu erreichen.

Messung und Interpretation der Kristallstruktur

Die kristalline Struktur und der Zwischenschichtabstand der synthetisierten Materialien wurden mithilfe der Pulver-XRD (Röntgendiffraktometrie, eine Technik zur Bestimmung der Kristallstruktur) bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Alkyldiamin-verstärkten V2O5-Proben die Hauptcharakteristika der Bilagen δ-V2O5 Struktur aufweisen. Die verschiedenen (001)-Diffraktions-Winkel belegen die erfolgreiche maßgeschneiderte Anpassung des Zwischenschichtabstands, der mit der Länge der Alkyldiamine zunimmt.

Detaillierte strukturelle Analyse durch Elektronenmikroskopie

Ein vertiefender Einblick in die Struktur der synthetisierten Proben wurde durch korrelative Mikroskopie, einschließlich REM und TEM, gewonnen. Diese Techniken bestätigen die Homogenität der Materialien, ermöglichen Einblicke in ihre Morphologie und beweisen die kristalline Struktur. Die REM- und TEM-Aufnahmen in Abbildung 2 zeigen, dass alle molekular verstärkten Proben eine charakteristische "Nanowhisker"-Morphologie (feine fadenartige Strukturen) aufweisen, was für weitere Untersuchungen der freistehenden Stränge vorteilhaft ist. Insbesondere das V2O5-12C-DA-System zeigt eine stärkere Bündelung der Whisker, was auf die Modifikation des Lösungsmittels (eine Mischung aus Ethanol und Wasser) zurückzuführen ist, die notwendig war, um das 1,12-Dodecandiamin adäquat zu lösen.

Verknüpfung von Struktur und elektrochemischen Eigenschaften

Die Ausrichtung der (001)-Basisflächen, die durch spezielle Techniken wie SAED (eine Methode zur Untersuchung von Kristallen) und HRTEM (eine Art Elektronenmikroskopie) analysiert wurde, zeigt deutliche Unterschiede im Abstand zwischen den Schichten der Proben. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch das Einfügen von Abstandshalter die Struktur des geschichteten V2O5-Wirtsmaterials erfolgreich verändert wurde, was zu einer systematischen Vergrößerung des Abstands zwischen den Schichten führte. Diese strukturelle Änderung hatte keinen Einfluss auf die innere Struktur und Form des Materials, was darauf hinweist, dass die elektrochemischen Eigenschaften der Proben direkt mit der Nano-Einschlussgeometrie der Modellmaterialien zusammenhängen.

Vergleichende Analyse der verschiedenen Materialien

Bilagen V2O5-Materialien, die mit Alkyldiamin molekulare Säulen verschiedener Längen hergestellt wurden, weisen vergleichbare strukturelle Eigenschaften auf und eignen sich als Modell-Elektroden zur Analyse des Einflusses der Nano-Einschlussgeometrie auf die Lithium-Ionen-Reaktion. Tests zeigten, dass die maximale Kapazität bei niedrigen Stromraten variiert, während höhere Raten eine bessere Leistung aufgrund verbesserter Kinetik bei größeren Schichtabständen aufwiesen. Zyklische Voltammogramme (CV, grafische Darstellung der Strom-Spannungs-Beziehung) verdeutlichten breitere Peaks und reduziertes Überpotential (niedrigere Spannungsschwelle) bei V2O5-12C-DA, was eine verbesserte elektrochemische Reversibilität (Wiederholbarkeit des Lade- und Entladevorgangs) anzeigt. Die Kapazitätsanalyse bestätigte, dass V2O5-12C-DA die beste Kapazitätserhaltung bei verschiedenen Strömen aufwies. Die Zyklusstabilität über 100 Zyklen zeigte, dass die Alkyldiamin molekulare Säulen in der V2O5-Struktur stabil bleiben. 

Grundlagen der DFT-Berechnungen zur Li+-Interkalation

Zur tieferen Untersuchung der Thermodynamik und Kinetik der Li+-Interkalation in bilayered V2O5, das als Interkalationswirt dient, werden Berechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt. Diese Berechnungen betrachten die Nano-Einschlussgeometrie, also den Zwischenschichtabstand des Wirts. Im vorläufigen Modellaufbau wird die Kristallstruktur von V2O5·nH2O genommen. Diese Struktur besteht aus V2O5 Bilagen, die in einer monoklinen Einheitszelle gestapelt sind und aus quadratisch-pyramidalen VO5-Einheiten bestehen, wie in Abbildung 3A-B dargestellt.

Simulation und Auswirkungen des erhöhten Interlayer-Abstands

Die Simulation der erweiterten Interlayer-V2O5-Strukturen verwendet verschiedene Schichtabstände, ohne Säulen-Moleküle (Abstandshalter), um die Ergebnisse zu vereinfachen. Ein Abstand von 1,21 nm repräsentiert die intermediäre Probe (eine mittlere Version) V2O5-6C-DA, während 1,50 nm den lithiierten Zustand (voll geladen mit Lithium-Ionen) von V2O5-12C-DA darstellt. Ein größerer Schichtabstand verbessert die Verbindung zwischen Diffusionskanälen, wodurch ein zweidimensionales Netzwerk entsteht. NEB-Berechnungen (eine Methode zur Untersuchung von Diffusionswegen) zeigen, dass dieser erhöhte Abstand die Li+-Leitfähigkeit verbessert, indem ein oberflächenähnlicher Diffusionsmechanismus mit niedrigeren Aktivierungsbarrieren hergestellt wird.

Schlussfolgerungen und Fazit

In dieser Studie, an der das Institut der theoretischen Chemie der Universität Ulm beteiligt war, wurden spezielle V2O5-Materialien mit klar definierten Schichtabständen zwischen 1,0 und 1,9 nm hergestellt. Dies wurde durch die Verwendung von Alkyldiamin-Molekülpfeilern verschiedener Längen erreicht. Eine detaillierte Untersuchung der Struktur, einschließlich hochauflösender TEM, zeigte, dass diese Materialien eine ähnliche Form (Nanowhisker-Morphologie) und eine kristalline Struktur aufweisen. Sie haben eine große Oberfläche und zeigen spezifische Wechselwirkungen zwischen den Abstandshaltern und dem Wirtsmaterial, was die Verbindung ihrer Eigenschaften mit den unterschiedlichen Nano-Strukturen ermöglicht.

Die maximale Speicherkapazität für Li+-Ionen liegt bei diesen Materialien zwischen 155 und 193 mAh/g bei niedrigen Lade-/Entladeraten. Größere Schichtabstände führen zu einer besseren Speicherkapazität und einer schnelleren Lade-/Entladegeschwindigkeit. Dies zeigt, dass die Speicherkapazität und die Geschwindigkeit, mit der Ionen durch das Material wandern, durch Anpassung der Nano-Strukturen verbessert werden können.

DFT, eine Methode der Quantenmechanik, erklärt, wie sich die Bewegung von Ionen von eindimensionalen (1D) zu zweidimensionalen (2D) Wegen ändert, wenn die Schichtabstände vergrößert werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die Struktur bei kleinen und mittleren Schichtabständen stabil bleibt, aber bei den größten Abständen zu einer zusätzlichen Expansion führt, vermutlich durch das Einlagern von Lösungsmitteln aus dem Elektrolyt.

Zusammengefasst liefert diese Studie wichtige Einblicke in die Struktur und Funktion von V2O5-Materialien, die als Speicher für Ionen dienen. Dies ist bedeutsam für die Entwicklung von Hochleistungsbatterien und anderen Energiespeicheranwendungen, sowie für Bereiche wie Elektrokatalyse (beschleunigte chemische Reaktionen an Elektroden) und Ionenselektivität (gezielte Ionenfilterung), die in Brennstoffzellen und Wasseraufbereitungssystemen zum Einsatz kommen. 

In den Forschungslaboren der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Ulm werden wegweisende Untersuchungen durchgeführt, um die Wechselwirkungen von Kohlenmonoxid (CO) mit Ruthenium (Ru)-Oberflächen zu entschlüsseln. Diese durch die Dr. Barbara Mez Starck Stiftung geförderten Studien, die auf der Schnittstelle von Oberflächenchemie und physikalischer Chemie abzielt sind, bieten tiefgehende Einblicke, wie die Struktur einer Adsorptionsschicht durch das Zusammenspiel zwischen Molekül-Oberflächen- und Molekül-Molekül-Interaktionen bestimmt wird.

CO-Moleküle zeigen eine starke Neigung, sich an definierten Adsorptionsstellen auf Übergangsmetallen zu binden, eine Bindung, die jedoch nicht stark genug ist, um Verschiebungen dieser Moleküle bei zunehmender molekularer Nähe zu verhindern. Diese Verschiebungen sind entscheidend, da sie aus den abstoßenden Wechselwirkungen zwischen benachbarten Molekülen resultieren, die insbesondere bei hohen Bedeckungen ausbalanciert werden müssen. Auf hexagonal dicht gepackten Oberflächen der Übergangsmetalle wie Ruthenium binden CO-Moleküle sich bevorzugt an hochsymmetrischen Stellen wie On-top-, Brücken- und dreifachen Hohlstellen. Die Wahl der bevorzugten Bindungsstelle hängt stark vom jeweiligen Metall ab, während die Größe der CO-Moleküle die Belegung aller gleichartigen Adsorptionsstellen gleichzeitig verhindert.

Interessanterweise führen die Größenbeschränkungen und die gegenseitige Abstoßung der adsorbierten CO-Moleküle dazu, dass die maximale Bedeckungsdichte, die sogenannte Monolage, auf Metallen wie Co und Pt nicht erreicht wird. Die Spannungen zwischen den verfügbaren Adsorptionsstellen und deren Besetzung durch CO-Moleküle erzeugen eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen bei hohen Bedeckungsgraden. Diese Strukturen variieren erheblich in Abhängigkeit von der elektronischen Struktur und den Gitterkonstanten des Metalls sowie der genauen CO-Bedeckung.

Die Vielfalt und Komplexität dieser hochbedeckten Strukturen haben zu verschiedenen Modellklassifikationen geführt. Diese umfassen Modelle mit gemischten Adsorptionsstellen, Moiré-Modelle, die durch die Größenunterschiede der Gitter von CO und Metall eine Moiré-Struktur erzeugen, Antiphasen-Domänengrenzmodelle mit langen, schmalen Domänen einfacher oder gemischter Stellenstruktur und schließlich Clustermodelle, in denen die Moleküle kleine Inseln bilden. Jedes dieser Modelle bietet einzigartige Einblicke in die Stabilität und die elektronischen Eigenschaften der CO-Adsorptionsschicht unter verschiedenen Bedingungen.

DFT-Berechnungen und deren Ergebnisse

Durch den Einsatz der Dichtefunktionaltheorie (DFT) konnten verschiedene Strukturmodelle für hochbedeckte CO-Schichten auf Ruthenium entwickelt und analysiert werden. Aufgrund der großen Einheitszellen und der entsprechend hohen Anzahl von Molekülen in den Zellen waren diese Berechnungen numerisch sehr anspruchsvoll. Eine Analyse aller möglichen CO-Konfigurationen war daher nicht durchführbar. Stattdessen wurde eine reduzierte Anzahl von Modellen basierend auf einer etablierten CO-Struktur untersucht, die als stabile Basis für Strukturen bei hohen Bedeckungsgraden dient.

Diese etablierte Struktur, die aus Clustern von sieben CO-Molekülen besteht, zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus, selbst wenn mehrere CO-Moleküle entfernt werden. Diese Cluster sind durch Reihen von unbesetzten Ru-Atomen getrennt, wobei an den Kreuzungspunkten dieser Reihen CO-Moleküle dreieckige Konfigurationen bilden, die zur lokalen Stabilität der Struktur beitragen. Als die Bedeckung erhöht wurde, zeigte sich, dass die Schicht ihre Clusterstruktur beibehält, jedoch die internen Strukturen und/oder die Größen der Cluster variieren.

Rastertunnelmikroskopie (STM)-Ergebnisse und ihre Implikationen

Die durch STM aufgenommenen Bilder der CO-Schicht zeigten bei tiefen Temperaturen von 62 Kelvin, d.h. bei unter -200° Celsius, eine teilweise geordnete, hexagonale Anordnung von Strukturelementen verschiedener Größen, was eine direkte Visualisierung der theoretischen Modelle ermöglichte. Die intern fein strukturierten dunklen Punkte innerhalb der Features korrespondieren mit den zentralsten CO-Molekülen der Cluster, während die helleren Zwischenräume die stärker geneigten äußeren Moleküle darstellen. Diese Ergebnisse bestätigen das Modell kompakter Cluster und bieten einen wertvollen Einblick in die molekulare Anordnung auf der Oberfläche.

Simulationen des Beugungsmusters und Low-Energy Electron Diffraction (LEED)-Daten

Zur weiteren Überprüfung der STM-Daten wurden Fourier-Transformationen dieser Daten durchgeführt, um die Beugungsmuster der CO-Cluster zu simulieren. Diese simulierten Muster stimmten deutlich mit den experimentellen LEED-Mustern überein, was die Genauigkeit des Clustermodells unterstreicht. Insbesondere zeigt die Analyse, dass die LEED-Muster nicht durch eine periodische hexagonale CO-Schicht, sondern durch Mehrfachstreuung sowohl am Substrat als auch an der quasi-hexagonalen Clusteranordnung verursacht werden.

 Zusammenführung und Ausblick auf die Zukunft molekularer Oberflächenforschung

Diese Studie hat umfassend die hochbedeckten Strukturen von Kohlenmonoxid auf der Oberfläche von Ruthenium (Ru(0001)) mittels DFT und STM untersucht. Es wurden 88 Strukturmodelle analysiert, die alle aufzeigen, dass die stabilsten Konfigurationen in Form kompakter Clusterinseln auftreten, die jeweils aus 7 bis 37 CO-Molekülen bestehen und eine interne (1 x 1) Struktur aufweisen. Diese Cluster sind durch Reihen unbesetzter Ru-Atome getrennt, die eine wichtige Rolle bei der Reduktion der abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den Molekülen spielen und zur Stabilität der Struktur beitragen.

Die STM-Daten bestätigen die durch DFT vorhergesagten Strukturen und zeigen, dass die CO-Cluster, obwohl sie eine ungefähre hexagonale Konfiguration aufweisen, nicht exakt hexagonal angeordnet sind. Diese Anordnung folgt jedoch spezifischen Verlegeregeln, die die relativen Orientierungen der Cluster bestimmen. Diese experimentellen Befunde stimmen mit früheren hochauflösenden elektronenenergieverlustspektroskopischen (HREELS) und infrarotspektroskopischen (RAIRS) Studien überein und zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den Beobachtungen früherer LEED-Untersuchungen.

Die Untersuchungen legen nahe, dass die Struktur dieser CO-Lagen aufgrund der Variationen in Größe und Form der Cluster und der daraus resultierenden Inkompatibilität mit dem Substratgitter nicht einer idealen Clustermodellierung folgt, sondern eine eigene Klassifikation verdient. 

Zukunftsperspektive

Die vorliegenden Ergebnisse öffnen das Tor für weiterführende Untersuchungen zur Manipulation von Adsorptionsmustern auf nanoskopischer Ebene. Zukünftige Forschungen könnten sich darauf konzentrieren, durch gezielte Anpassung der Bedeckungsgrade und der molekularen Umgebungen neue und noch stabilere Clusterstrukturen zu entwickeln, die möglicherweise noch effizientere katalytische Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus könnte das Verständnis der dynamischen Wechselwirkungen zwischen CO-Molekülen und Ruthenium in anderen Kontexten, wie in der Brennstoffzellentechnologie oder in der chemischen Sensortechnik, innovative Anwendungen eröffnen.

Es ist zu erwarten, dass die fortschreitende Entwicklung und Verfeinerung der STM-Techniken sowie fortschrittlichere Berechnungsmethoden in der DFT erst ermöglichen werden, noch präzisere Modelle zu erstellen und die molekularen Prozesse auf Oberflächen in Echtzeit zu verfolgen. Diese Entwicklungen könnten zu einer neuen Ära der Materialwissenschaften führen, in der die Grenzen des Möglichen im Bereich der Oberflächenchemie und -physik neu definiert werden.

In der ruhigen Atmosphäre akademischer Büros werden oft die Grundsteine für zukünftige technologische Revolutionen gelegt. An der Universität Ulm treibt Doktorrand Johannes Döhn die Grenzen der theoretischen Chemie voran, gefördert durch die Unterstützung der Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung. Lasse Martinsen sprach mit ihm über seine faszinierende Arbeit, die sich an der Schnittstelle von nachhaltiger Energie, Materialwissenschaft und Quantenchemie bewegt.

Lasse Martinsen: Herr Döhn, Sie sind tief in die Geheimnisse der Materialien eingetaucht, die unsere Zukunft formen könnten. Können Sie uns zunächst einen Einblick in Ihre aktuelle Forschung geben?

Johannes Döhn: Natürlich, ich freue mich über Ihr Interesse. Meine Forschung konzentriert sich auf die theoretische Untersuchung von Materialien, die als Perowskite bekannt sind. Diese Materialien sind so faszinierend, weil sich ihre elektronischen Eigenschaften durch leichte Änderungen ihrer chemischen Zusammensetzung zielgenau anpassen lassen, was sie zu einer der vielversprechendsten Materialklassen für die nächsten Generation von Photovoltaikzellen avancieren ließ. An der Universität Ulm versuchen wir, durch Simulationen und Modellierungen zu verstehen, wie diese Materialien auf atomarer Ebene funktionieren und wie wir ihre Eigenschaften für die elektrochemische Speicherung von Energie in Batterien nutzen können. Auch hier besteht zumindest theoretisch das Potential, durch neue Materialien die Effizienz und Kosteneffektivität erheblich zu verbessern.

Lasse Martinsen: Welche spezifischen Herausforderungen stellen sich Ihnen in der theoretischen Chemie?

Johannes Döhn: Theoretische Chemie ist eine Disziplin, die sowohl tiefes Verständnis der Physik als auch der Chemie erfordert. Eine der größten Herausforderungen ist die Komplexität der mathematischen Modelle, die wir verwenden, um das Verhalten von Elektronen und Atomen in diesen Materialien zu beschreiben. Wir arbeiten mit Quantenmechanik und fortgeschrittenen statistischen Methoden, um vorherzusagen, wie sich Materialien unter verschiedenen Bedingungen verhalten werden. Ein weiteres großes Thema ist die Rechenintensität unserer Simulationen; wir sind in der Regel auf supercomputergestützte Berechnungen angewiesen, die enorme Mengen an Daten verarbeiten. Hier dauert eine Berechnung schon einmal ein paar Tage. 

Lasse Martinsen: Wie sieht ein typischer Tag in Ihrem Forscherleben aus?

Johannes Döhn: Ein Großteil meines Tages ist dem Design und der Analyse von Simulationen gewidmet. Ich beginne oft mit der Überprüfung der Ergebnisse von Übernacht-Läufen, die mir sagen, ob die Änderungen, die wir an unseren Modellen vorgenommen haben, die erwarteten Ergebnisse zeigen. Danach folgen Diskussionen mit dem Team oder Kollegen über die Daten und Planung. Es ist ein ständiger Zyklus aus Hypothese, Test und Revision.

Lasse Martinsen: Wie gestaltet sich die Zusammenarbeit zwischen Ihnen als theoretischem Chemiker und Ihren Kollegen im Labor? 

Johannes Döhn: Die Zusammenarbeit zwischen theoretischen Forschern und experimentellen Laboren ist fundamental für den Erfolg unserer Projekte. Theoretische Chemie kann oft vorhersagen und erklären, welche neuen Materialien oder Methoden potenziell erfolgreich sein könnten. Diese Vorhersagen liefern eine wichtige Grundlage für die experimentelle Forschung, da sie die Richtung vorgeben können, in welche die Laborexperimente gehen sollten. 

Auf der anderen Seite liefert das Labor uns wertvolle Daten, die wir verwenden, um unsere Modelle und Theorien zu überprüfen und weiterzuentwickeln. Diese Rückmeldung ist entscheidend, um die Genauigkeit unserer Simulationen zu verbessern. Beispielsweise können wir vorhersagen, dass ein bestimmtes Material unter bestimmten Bedingungen eine hohe Effizienz aufweist, und das Labor kann dies dann bestätigen oder die Notwendigkeit aufzeigen, unsere Modelle anzupassen.

Lasse Martinsen: Können Sie uns ein Beispiel geben, wie diese Zusammenarbeit in Ihrer täglichen Arbeit aussieht?

Johannes Döhn: Gerne. Ein gutes Beispiel für die Fruchtbarkeit dieser interdisziplinären Zusammenarbeit ist eine Begegnung, die ich kürzlich hier an der Universität Ulm hatte. Während eines Vortrags, den ich über unsere neuesten theoretischen Modelle zu Perowskiten hielt, traf ich einen Kollegen aus der experimentellen Chemie, der ähnliche Materialien im Labor untersucht. Nach meinem Vortrag kamen wir ins Gespräch, und es stellte sich heraus, dass unsere Forschungsinteressen sich hervorragend ergänzen.

Mein Kollege hatte Daten aus experimentellen Studien, die unsere theoretischen Vorhersagen testen könnten. Wir beschlossen, eine Pilotstudie zu starten, bei der wir seine experimentellen Techniken mit unseren Modellen kombinieren, um die elektronischen Eigenschaften von Perowskiten unter realen Bedingungen zu verstehen. Diese Art von Kooperation ist ungemein wertvoll, da sie es uns ermöglicht, unsere Theorien zu validieren und zu verfeinern, was wiederum zu robusteren und präziseren wissenschaftlichen Erkenntnissen führt.

Lasse Martinsen: Die Unterstützung durch die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung spielt eine entscheidende Rolle in Ihrer Forschung. Können Sie uns mehr darüber erzählen?

Johannes Döhns: Absolut. Die Förderung durch die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung ist für unsere Arbeit unverzichtbar. Sie bietet jungen Wissenschaftlern wie mir die Chance, an grundlegenden Forschungen in diesem spezialisierten Gebiet zu arbeiten, deren Ergebnisse sich langfristig in praktische Geschäftsmodelle umsetzen lassen. Diese Entwicklung wird zweifellos den Standort Ulm und Deutschland stärken und einen bedeutenden Beitrag zur Schaffung einer nachhaltigeren Zukunft leisten.

Lasse Martinsen: Herr Döhn, Sie setzen sich beruflich für nachhaltige Energietechnologien ein. Inwieweit spiegelt sich dieser Nachhaltigkeitsaspekt in Ihrem persönlichen Lebensstil wider?

Johannes Döhn: Das ist eine interessante Frage. Tatsächlich versuche ich, meinen persönlichen Lebensstil so zu gestalten, dass er meine beruflichen Überzeugungen widerspiegelt. Ich lebe weitgehend fleischlos und nutze kein Auto. Stattdessen bevorzuge ich öffentliche Verkehrsmittel oder das Fahrrad. Auch beim Konsum bin ich sehr bedacht: Ich kaufe vorwiegend Secondhand-Kleidung oder Produkte von nachhaltigen Marken. Diese Entscheidungen sind mir wichtig, weil ich glaube, dass jeder von uns durch kleine, alltägliche Entscheidungen einen Beitrag zum Umweltschutz leisten kann. Mein Beruf inspiriert mich täglich dazu, auch privat umweltbewusst zu handeln und zu zeigen, dass nachhaltiges Leben praktikabel und sinnvoll ist.

Lasse Martinsen: Was treibt Sie persönlich an, in diesem komplexen und anspruchsvollen Feld zu arbeiten?

Johannes Döhn: Meine größte Motivation ist die Aussicht, einen realen Beitrag zur Lösung einiger der dringendsten Probleme unserer Zeit zu leisten, wie die Energiekrise und der Klimawandel. Es gibt eine tiefe Befriedigung darin, zu wissen, dass unsere Forschung vielleicht den Weg für nachhaltigere Energiequellen ebnet. Außerdem ist es die reine Freude an der Entdeckung, das Streben, zu verstehen, warum Dinge auf eine bestimmte Weise funktionieren, das mich jeden Tag motiviert.

Lasse Martinsen: Sie sprechen von der Freude an der Entdeckung und dem tiefen Wunsch, die Funktionsweisen der Welt zu verstehen. Welche Eigenschaften oder Fähigkeiten sollten junge Wissenschaftler mitbringen, wenn sie sich für ein Studium der Physik entscheiden?

Johannes Döhn: Für junge Menschen, die ein Physikstudium anstreben, ist vor allem Neugierde essenziell. Sie sollten ein starkes Interesse daran haben, die Prinzipien hinter den Phänomenen des Alltags und des Universums zu erforschen. Dazu gehört auch eine gewisse Ausdauer, denn die Physik kann herausfordernd sein und erfordert oft, dass man sich intensiv mit komplexen und abstrakten Konzepten auseinandersetzt. Mathematische Fähigkeiten sind natürlich ebenso wichtig, da Mathematik die Sprache der Physik ist und für das Verständnis und die Formulierung physikalischer Gesetze unerlässlich ist. Schließlich ist auch Teamfähigkeit nicht zu unterschätzen. Obwohl das Studium viele individuelle Studienzeiten umfasst, ist die Zusammenarbeit mit anderen, sei es in Labors oder bei Forschungsprojekten, ein zentraler Aspekt der wissenschaftlichen Arbeit. Ein offener Geist und die Fähigkeit zur Zusammenarbeit können die Tür zu innovativen Ideen und neuen Entdeckungen öffnen.

Lasse Martinsen: Herr Döhn, ich danke Ihnen für dieses aufschlussreiche Gespräch und wünsche Ihnen weiterhin Erfolg und Innovation in Ihrer Forschung.

Johannes Döhns: Ich danke Ihnen, Herr Martinsen. Es war mir ein Vergnügen, Einblicke in unsere Arbeit zu geben und die Bedeutung der theoretischen Chemie zu diskutieren. Vielen Dank für die Gelegenheit.

Interdisziplinäre Forschung ebnet den Weg für fortschrittliche Natrium-Ionen-Batterien

Die Entwicklung fortschrittlicher Natrium-Ionen-Batterien steht im Zentrum der Bemühungen, eine nachhaltigere und effizientere Energiezukunft zu gestalten. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Erforschung neuer Materialien zu, die die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer dieser Batterien verbessern können. Im Fokus dieser Studie steht das P2-Natrium-Nickel-Mangan-Oxid Kathodenmaterial, das durch die Zusammenarbeit von Experten aus den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften und Elektrochemie untersucht wird. Diese interdisziplinäre Kooperation ermöglicht einen umfassenden Ansatz, der experimentelle Techniken, Dichtefunktionaltheorie (DFT) und Multiphasen-Feldsimulationen kombiniert, um tiefgreifende Einblicke in die Eigenschaften und Verhaltensweisen des Materials zu gewinnen.

Der Mehrwert interdisziplinärer Forschung

Die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen ermöglicht es, die komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Batteriematerials auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene zu verstehen. Physiker, Chemiker und Ingenieure bringen ihr spezifisches Wissen und ihre Techniken ein, um die Prozesse der Ioneneinlagerung und -entnahme, die Kristallstrukturänderungen und die Phasenstabilität unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Diese umfassende Herangehensweise ermöglicht es, die Leistungsgrenzen der Materialien präzise zu bestimmen und innovative Lösungen für bisher ungelöste Probleme zu entwickeln.

Zielsetzung der Forschungskooperation

Das Hauptziel dieser Forschungskooperation ist es, die grundlegenden und angewandten Aspekte der Natrium-Ionen-Batterietechnologie zu erforschen, um Wege zur Überwindung der spezifischen Herausforderungen, wie z.B. der Phasenübergänge und zu langsamer Ionendiffusion, zu finden. Durch die Kombination von hochauflösenden experimentellen Methoden mit fortschrittlichen Berechnungsmodellen streben die Forscher an, die Eigenschaften von Natrium-Ionen-Kathodenmaterialien auf eine Weise zu verstehen, die bisherige Forschungsansätze übertrifft. Die Erkenntnisse dieser Studie sollen dazu beitragen, die theoretischen Modelle der Materialwissenschaft zu verfeinern und gleichzeitig praktische Anleitungen für die Optimierung der Materialsynthese und Zellkonstruktion zu liefern.

Ergebnisse der elektrochemischen Untersuchungen und DFT-Analysen

Elektrochemische Eigenschaften und wesentliche Erkenntnisse

Die Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften des Kathodenmaterials P2-Natrium-Nickel-Mangan-Oxid wurde mittels der Galvanostatischen Intermittierenden Titrationstechnik (GITT) durchgeführt. Diese Methode nutzt kurze Strompulse, gefolgt von Ruhephasen, um das Gleichgewichtspotential des Materials zu bestimmen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass bei bestimmten Natrium-Stöchiometrien, nämlich etwa 2/3, 1/2 und 1/3, deutliche Spannungsstufen auftreten. Diese sind mit Natrium-Leerstellenordnungen verbunden und deuten auf stabile Phasenübergänge hin. Zudem zeigte sich, dass das Material bei mittleren Natriumgehalten eine hohe Diffusionsfähigkeit aufweist, während bei sehr hohen oder sehr niedrigen Natriumgehalten die Diffusionskoeffizienten signifikant abnehmen. Diese Beobachtungen sind entscheidend für das Verständnis der Kinetik und der Effizienz des Materials während der Lade- und Entladevorgänge.

DFT-Analyse und ihre Implikationen für das Multiphasenfeldmodell

Die DFT hat gezeigt, dass die Stabilität und die elektrochemischen Eigenschaften des Kathodenmaterials P2-Natrium-Nickel-Mangan-Oxid stark von der Natriumkonzentration und der spezifischen Anordnung der Natriumionen abhängen. Bei niedrigen Natriumgehalten wandelt sich die P2-Struktur durch Verschiebung der Übergangsmetallschichten in die O2-Phase um. Die Berechnungen der offenen Zellspannung (OCV) und der Gitterparameter offenbarten Abweichungen, die die Einbeziehung von langreichweitigen van-der-Waals-Interaktionen in die Modelle notwendig machen, um die Genauigkeit zu erhöhen. Diese Erkenntnisse beeinflussen die Eingabedaten zur freien Enthalpie und die relativen Stabilitäten der Na-Ordnungen, was wiederum entscheidend für die Gestaltung der Spannungsplateaus im Lade-/Entladekurvenverlauf ist und somit das Verhalten der Batterie unter realen Bedingungen bestimmt.

Analyse der Diffusionsprozesse und ihre Auswirkungen auf das Multiphasenfeldmodell

Die Studie zum Kathodenmaterial Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂, das typischerweise in einer hexagonalen, plättchenartigen Form kristallisiert, konzentrierte sich auf die Diffusionsprozesse innerhalb dieser Struktur. Es wurde festgestellt, dass Natriumionen vorrangig entlang der (100)- und (010)-Flächen diffundieren, während die (001)-Flächen primär für die Adsorption genutzt werden. Diese Erkenntnisse basieren auf der Annahme, dass alle Deformationen im Material elastisch sind und dass die Grenzflächen kohärent bleiben, also ohne Versetzung oder Bruch zwischen den Phasen übergehen. Für das Multiphasenfeldmodell, das zur Simulation der Materialeigenschaften verwendet wird, sind diese detaillierten Einsichten in Diffusions- und Adsorptionsvorgänge von großer Bedeutung. Durch die Einführung von phasenspezifischen Anpassungsfunktionen für die chemische Energie konnte eine realistischere Darstellung der Spannungsplateaus im Vergleich zu experimentellen Daten erreicht werden, was insbesondere die Modellierung der energetischen Landschaft mit quadratischen und logarithmischen Funktionen ermöglicht. Diese erlauben ein tieferes Verständnis der Unterschiede in der energetischen Stabilität zwischen verschiedenen geladenen und ungeladenen Zuständen des Materials.

Weiterführende Diskussion und Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse aus dieser Studie verdeutlichen die Notwendigkeit einer ganzheitlichen Betrachtung von Material und Modellierung, um die Funktionsweise von Natrium-Nickel-Mangan-Oxid-Batterien vollständig zu verstehen. Die Kombination aus experimentellen Untersuchungen und Simulationen auf verschiedenen Skalenebenen hat es ermöglicht, Licht auf die komplexen Phasenübergangsmechanismen während des Batteriebetriebs zu werfen.

Konsistenz von thermodynamischer Modellierung und experimentellen Ergebnissen

Die Hull-Energien, die aus den DFT-Simulationen gewonnen wurden, spielten eine entscheidende Rolle bei der Anpassung der Gibbs’schen freien Energien, die wiederum in mehrphasigen Feldsimulationen verwendet wurde. Die Gibbs'sche freie Energie ist dabei ein wesentlicher Parameter, der angibt, wie viel nutzbare Energie bei einem chemischen oder physikalischen Prozess maximal gewonnen werden kann. Diese Modellierungen stimmten überein mit den experimentellen Befunden, was die Zuverlässigkeit des Ansatzes unterstreicht.

Wichtigkeit der relativen Phasenstabilität und langreichweitigen Wechselwirkungen

Die relative Phasenstabilität, welche in einem mehrskaligen Ansatz untersucht wurde, hängt stark von der Einbeziehung langreichweitiger Dispersionswechselwirkungen ab. Diese Wechselwirkungen sind essenziell, um das Verhalten der Materialien über größere Distanzen hinweg zu verstehen und korrekt zu modellieren. Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Messungen zeigte sich auch in den OCV-Ergebnissen, die gut mit den Werten aus GITT-Messungen übereinstimmten.

Dynamisches Mikro-Batteriemodell und Multi-Phasen-Feldmodell

Das dynamische Mikro-Batteriemodell bietet eine genaue Abbildung des Elektrodenverhaltens bei verschiedenen C-Raten und beleuchtet, wie elastische Deformationen den Mechanismus der Phasentransformation beeinflussen. Die Berücksichtigung dieser Deformationen ist entscheidend, um den Phasenübergang von O2 nach P2 richtig zu erfassen, insbesondere da die Phasenumwandlung aufgrund der großen Gitterfehlanpassung senkrecht zur Diffusionsrichtung verläuft. Das Multi-Phasen-Feldmodell konnte mehrere Phasenübergänge abdecken und erfolgreich das Überpotential bei technisch relevanten Ladegeschwindigkeiten vorhersagen.

Zukünftige Forschungsperspektiven

Die etablierte Simulationsumgebung bietet eine hervorragende Grundlage für zukünftige Untersuchungen. Eine spannende Perspektive ist das Studium des Verhaltens von Multi-Partikeln während der Phasentransformation, um den geschwindigkeitslimitierenden Schritt besser zu identifizieren und ein tieferes Verständnis der GITT-Messungen zu ermöglichen.

Fazit

Die Studie unterstreicht die Bedeutung einer synergetischen Herangehensweise in der Batterieforschung, bei der Theorie und Praxis eng verzahnt sind. Unterstützt durch die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung, tragen die Ergebnisse nicht nur dazu bei, die Materialwissenschaft und die elektrochemischen Modelle weiter zu verfeinern, sondern bieten auch praktische Anleitungen für die Optimierung von Materialsynthese und Zellkonstruktion. Dies wird letztendlich die Entwicklung leistungsfähigerer und langlebigerer Natrium-Ionen-Batterien vorantreiben, was einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Energiezukunft darstellt.

Autor: Lasse S. Martinsen

Quelle: https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.250/publications/npjComputMater_10_75_2024.pdf

Energieverhältnisse von Silber-Platin und Silber-Palladium Grenzflächen entschlüsseln

An der Universität Ulm werden wegweisende Forschungen im Bereich der Theoretischen Chemie betrieben, die das Potenzial haben, die Materialwissenschaften und zahlreiche Industriezweige zu verändern. Dank der Förderung durch die Dr. Barbara Mez Starck Stiftung können die Forscher dort neue Wege in der Untersuchung bimetallischer Oberflächen beschreiten.

Grundlagen der Dichtefunktionaltheorie

Ein zentraler Aspekt der Ulmer Forschung ist die Anwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Diese rechnerische Methode ermöglicht es, die elektronische Struktur und Energieverteilung von Materialien auf atomarer Ebene zu simulieren. Die DFT ist besonders wertvoll für das Verständnis von Oberflächen, die aus zwei unterschiedlichen Metallen bestehen, wie zum Beispiel Silber und Platin (Ag/Pt) oder Silber und Palladium (Ag/Pd). Durch diese Untersuchungen können die Forscher herausfinden, wie sich die Metalle auf molekularer Ebene verhalten und welche Eigenschaften die resultierenden Oberflächen aufweisen.

Oberflächenenergien und Bildungsenthalpien

In der Grundlagenforschung betrachtet man oft homogene, einkomponentige Systeme, bei denen die Oberflächenenergie typischerweise als Energie des Kristallspalts bestimmt wird. Diese Berechnung erfolgt über spezifische Gleichungen, die von der Gesamtenergie einer dünnen Schicht (Slab) und der eines entsprechenden Volumenkristalls (Bulk) abhängen. Hierbei bezeichnet "Slab" eine dünne, oft nur wenige Atomlagen dicke Materialschicht; während "Bulk" das Innere eines Materials beschreibt, der im Gegensatz zur Oberfläche steht und dessen Eigenschaften typischerweise die des ungestörten Materials widerspiegeln. Jedoch zeigt sich, dass solche Ansätze bei zweikomponentigen, bimetallischen Oberflächen, wo die chemische Zusammensetzung der Ober- und Unterseite variiert, zu Durchschnittswerten führen, die nicht alle energetischen Beiträge genau wiedergeben.

Um dieses Problem zu adressieren, haben die Forscher ein modifiziertes System entwickelt. Sie kombinieren zwei asymmetrische Schichten so, dass eine neue, symmetrische Schicht entsteht. Diese ermöglicht es, die Oberflächenenergie jeder Seite separat zu bestimmen. Diese Methode berücksichtigt nicht nur die verschiedenen Oberflächen, sondern auch die unterschiedlichen Spannungen und Wechselwirkungen zwischen den Metallen an den Grenzflächen.

Komplexere Systeme und deren Energien

In bimetallischen Systemen treten zusätzliche Komplexitäten auf. Die Grenzflächen zwischen den Substrat- und Abscheidungsschichten sowie die seitliche Kompression der Schichten führen zu zusätzlichen Energiebeiträgen. Diese werden als Grenzflächen- und Kompressionsenergien definiert, die aus der Differenz der Bulk-Energien abgeleitet werden. Es ist entscheidend, diese Energiewerte konsistent auf die Fläche oder pro Atom zu normieren, um valide Vergleiche anstellen zu können.

Bildungsenergien

Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Bildungsenergien, sowohl für den Bulk als auch für die Schicht. Diese Energien beschreiben die Änderungen in der Energie beim Übergang von einer einkomponentigen zu einer mehrkomponentigen Schicht durch den Austausch bestimmter Atomtypen. Die Berechnung der Bildungsenergie einer Schicht ergibt nur dann Sinn, wenn nicht alle Atome der Anfangsschicht ausgetauscht wurden.

Analyse der Ag/Pt(111)-Systeme

In Ag/Pt(111)-Systemen wurden Modelle mit Platin (Pt)-Substraten untersucht, die von bis zu drei Lagen von pseudomorphen Silberschichten (Ag) bedeckt sind, sowie eine Pt-Substratoberfläche, die von einer Legierungsschicht aus Pt₁Ag₃ bedeckt ist. Die Forscher stellten fest, dass die Oberflächenenergien der Ag-terminierten Oberflächen ähnlich hoch sind wie die von komprimiertem Ag in der Bulkform, wobei sie betonen, dass die Nutzung von komprimiertem Ag als Referenz signifikante Einflüsse auf die Energieberechnungen hat. Interessant ist, dass die Oberflächenenergie der einlagigen Ag-Filme erheblich höher ist als die von zwei- und dreilagigen Ag-Filmen, die den reinen Ag-Oberflächen sehr ähnlich sind.

Ulms neueste Fortschritte in der Photokatalyse

Wissenschaftler der Universität Ulm, unterstützt durch die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung, eröffnen neue Perspektiven in der nachhaltigen Energiewirtschaft durch Forschungen im Bereich der Photokatalyse. Die theoretische Chemie, die sich mit der Modellierung chemischer Systeme auf molekularer Ebene beschäftigt, spielt dabei eine zentrale Rolle und könnte weitreichende wirtschaftliche Implikationen haben.

Die Bedeutung des Lösungsmittels in der Photokatalyse

Die jüngsten Studien zeigen, dass die Effizienz von Photokatalysatoren, Stoffen, die Lichtenergie in chemische Energie umwandeln, stark vom Lösungsmittel beeinflusst wird. Die dielektrische Konstante eines Lösungsmittels, also seine Fähigkeit, elektrische Felder abzuschirmen, ist hier entscheidend. In Lösungsmitteln mit hoher dielektrischer Konstante, wie etwa Aceton, ändert sich die elektronische Struktur des Katalysators deutlich. Diese Veränderung kann die Fähigkeit des Katalysators, Licht zu absorbieren und in chemische Energie umzuwandeln, dramatisch verbessern.

Solvatochromismus: Ein Schlüsselphänomen der Photokatalyse

Ein besonderes Augenmerk der Forschung liegt auf dem Phänomen des Solvatochromismus, der Farbveränderung von Substanzen in Abhängigkeit vom Lösungsmittel. Dieses Verhalten wird beim molekularen Photokatalysator RuPtI2 beobachtet. Veränderungen im höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO), das für die Lichtabsorption verantwortlich ist, lassen sich durch Wechsel des Lösungsmittels steuern. Dies ermöglicht eine Anpassung des Katalysators an verschiedene Umweltbedingungen und steigert seine Anwendungsvielfalt und Effizienz.

Vertiefende Einblicke durch aktuelle Forschung

Die neuesten Forschungen der Universität Ulm bieten einen detaillierteren Einblick in die strukturelle und elektronische Anpassungsfähigkeit des RuPtI2-Komplexes. Während die strukturelle Stabilität des Komplexes auch in unterschiedlichen Lösungsmitteln erhalten bleibt, zeigen sich signifikante Verschiebungen in den Energiezuständen des HOMO und des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals (LUMO). Diese Verschiebungen können die katalytische Aktivität und damit die Effizienz in der Energieumwandlung beeinflussen, besonders in weniger polaren Lösungsmitteln, die eine höhere photochemische Aktivität fördern.

In der modernen Forschung zu Batterietechnologien werden kontinuierlich neue Methoden entwickelt, um die Sicherheit und Effizienz von Batterien zu verbessern. Ein besonders vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Wasser-in-Salz (WiS) Elektrolyten, speziell Natriumtriflat, für fortschrittliche Batterieanwendungen. Diese Forschung unterstützt die Dr. Barbara Mez Starck Stiftung durch die Zusammenarbeit mit dem Institut für Theoretische Chemie der Universität Ulm. Ein Schlüsselelement in der aktuellen Forschung ist die innovative Kombination von molekulardynamischen Simulationen, basierend auf Erstprinzipien, mit Techniken des maschinellen Lernens (ML). Diese integrierte Methode trägt dazu bei, die Herausforderungen bei der präzisen Simulation von WiS-Elektrolyten zu meistern.

Vielfalt der Salzbatterien

In der Palette der Salzbatterien gibt es neben den WiS-Elektrolyten auch die traditionellen Salz-in-Lösungsmittel Elektrolyte, die oft in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden und eine hohe Leistung bieten, jedoch mit Umweltschäden und hohen Kosten verbunden sind. Ionische Flüssigkeiten, die aus reinen Ionen bestehen und kein herkömmliches Lösungsmittel benötigen, sind nicht entflammbar und chemisch stabil, allerdings sind sie teurer in der Herstellung und können durch ihre hohe Viskosität die Leistung der Batterie beeinträchtigen. Im Kontrast dazu stellen WiS-Elektrolyte eine sichere und umweltfreundliche Alternative dar, die insbesondere für Na-Ion-Batterien geeignet sind.

Herausforderungen bei der Simulation von WiS-Elektrolyten

WiS-Elektrolyte bieten aufgrund ihrer hohen Salzkonzentration und des resultierenden komplexen Verhaltens viele Vorteile, stehen jedoch vor der Herausforderung, dass ihre molekulare Struktur schwer zu modellieren ist. Traditionelle Simulationsmethoden stoßen oft an Grenzen, da sie entweder nicht ausreichend genau sind oder zu rechenintensiv für praktische Anwendungen

Der Ansatz der Forscher der Universität Ulm: Kombination von quantenchemischen Rechnungen und maschinellem Lernen

Die Forschung nutzt einen zweistufigen Ansatz, um die Einschränkungen herkömmlicher Simulationstechniken zu überwinden. Im ersten Schritt wird ein ML-Potential entwickelt, das auf Daten aus ab initio molekulardynamischen Simulationen (AIMD) basiert. Diese Simulationen nutzen die Dichtefunktionaltheorie (DFT), um die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene präzise zu beschreiben, und gehören zur Klasse der quantenchemischen ab initio Methoden, welche direkt von den physikalischen Gesetzen ausgehen ohne empirische Daten zu verwenden. 

AIMD kombiniert die Prinzipien der Quantenmechanik, speziell der DFT, mit klassischen molekulardynamischen Techniken. Während die DFT die Elektronendichte und -energie berechnet und damit eine genaue Vorhersage der elektronischen Struktur ermöglicht, simuliert die Molekulardynamik die Bewegung der Atome über die Zeit. Diese Kombination ermöglicht es, dynamische Prozesse auf atomarer Ebene mit hoher Genauigkeit zu modellieren. 

Aus den AIMD Daten wird mit Hilfe von ML-Methoden ein parametrisierter Ausdruck der chemischen Wechselwirkungen im WiS-Elektrolyt abgeleitet, ein sogenanntes Kraftfeldpotential. Dieses ML-Potential kann dann die komplexe Umgebung innerhalb des Elektrolyts mit nahezu DFT-Genauigkeit nachbilden, benötigt jedoch deutlich weniger Rechenressourcen. Dies ermöglicht längere und umfassendere Simulationen, was für ein tieferes Verständnis des Elektrolytverhaltens essenziell ist. Durch diesen methodischen Ansatz werden präzise und effiziente Simulationen ermöglicht.

Entwicklung und Optimierung klassischer Kraftfeldpotentiale

Nach der Bestimmung des ML-Potentials führen die Forscher einen zweiten Schritt durch. In die Konstruktion des ML-Potentials gehen keine chemischen Einsichten ein, sondern nur die zur Verfügung stehenden Daten aus den AIMD Simulationen. ML-Potentiale können daher nur Konfigurationen im Elektrolyten gut beschreiben, die in ähnlicher Weise bei den AIMD Simulationen vorgekommen sind. Sie können aber nicht gut extrapolieren, d.h. sie können nicht vertrauenswürdig auf Strukturen angewendet werden, die in der Testmenge, an die sie angepasst wurden, nicht vorgekommen sind.

Klassische Kraftfelder basieren auf mathematischen Formulierungen, die bereits die korrekten funktionalen Formen der chemischen Wechselwirkungen sowohl für große als auch für kleine Abstände integrieren. Dies verleiht ihnen eine ausgeprägte Vorhersagegenauigkeit für Strukturen, die in der ursprünglichen Testmenge nicht vorhanden sind. Aufgrund dieser Eigenschaft haben die Forscher ML genutzt, um klassische Kraftfelder zu optimieren, wobei sie Kraftfelder verschiedener Komplexitätsgrade einsetzten.

Berücksichtigung von Polarisationseffekten       

Die Modellierung von WiS-Elektrolyten erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Polarisationseffekten, die durch die hohe Salzkonzentration und die starke Polarisation innerhalb des Elektrolyts erzeugt werden. Um diese Effekte adäquat zu simulieren, werden zwei Arten von Kraftfeldern evaluiert: nichtpolarisierbare und polarisierbare Kraftfelder. Letztere nutzen insbesondere das Drude-Oszillator-Modell, um die dynamischen Polarisationseffekte, die in solchen hoch konzentrierten Lösungen auftreten, effektiv darzustellen. Hierbei simuliert das Drude-Oszillator-Modell die Polarisation in Molekülen, indem es Elektronen als Teilchen darstellt, die federnd mit Atomen verbunden sind, um so ihre Reaktion auf elektrische Felder zu simulieren.

Einsatz von Drude-Oszillator-Modellen

Polarisierbare Kraftfelder, die das Drude-Oszillator-Modell verwenden, modellieren die induzierten Dipole auf polarisierbaren Atomen. Dies ist entscheidend für die genaue Wiedergabe der elektronischen Struktur und der daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften des Elektrolyts. Die Drude-Oszillatoren simulieren die Beweglichkeit der Elektronenwolke in Reaktion auf externe elektrische Felder, was zu einer realistischeren und genaueren Simulation führt.

Optimierung der Kraftfelder

Anpassung von Parameterwerten

Die Optimierung der Kraftfelder basiert auf einer sorgfältigen Anpassung der Parameterwerte, die aus den Referenzdaten der ML-basierten Simulationen abgeleitet werden. Ziel ist es, die Genauigkeit der Simulationen zu verbessern, insbesondere in Bezug auf elektrostatische und van der Waals-Interaktionen zwischen den Atomen bzw. Ionen. Van der Waals-Interaktionen beschreiben die Anziehungskraft zwischen Molekülen oder Atomen, die aufgrund von temporären Dipolen entsteht, wenn Elektronen ihre Position innerhalb eines Atoms oder Moleküls zufällig verändern. Diese Kräfte sind schwächer als chemische Bindungen, spielen aber eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Materialien.

Minimierung von Abweichungen

Ein wesentliches Ziel der Kraftfeldoptimierung ist die Minimierung der Abweichungen zwischen den simulierten Eigenschaften und den hochgenauen Referenzdaten. Dies wird durch iterative Tests und Verfeinerungen der Kraftfeldparameter erreicht, um die Übereinstimmung mit den ML-basierten Benchmark-Daten zu maximieren.

Anpassung der Salzkonzentration in Simulationszellen

Ein wichtiger Aspekt der Ulmer Forscher zur Optimierung von Kraftfeldern für WiS-Elektrolyte ist die präzise Kontrolle der Salzkonzentration in den verwendeten Simulationszellen. Wie in der Abbildung dargestellt, verwendeten die Experten zwei unterschiedliche Ansätze zur Anpassung der Salzkonzentration während der Simulationen:

1. Auf der linken Seite der Zelle wird die Salzkonzentration durch die Anzahl der Wasser-Moleküle reguliert. Dieser Ansatz ermöglicht es, das Verhältnis von Salz zu Wasser zu variieren, indem die Anzahl der Wasser-Moleküle in der Zelle verändert wird, was eine direkte Anpassung des Lösungsverhältnisses bedeutet.

2. Auf der rechten Seite der Zelle wird die Salzkonzentration durch die Anzahl der Ionenpaare angepasst. Hierbei wird die Menge der gelösten Salz-Ionenpaare, wie beispielsweise Na⁺ und Cl^-, verändert, um die gewünschte Konzentration zu erreichen. Diese Methode erlaubt eine präzise Steuerung der Ionenstärke der Lösung und spielt eine kritische Rolle bei der Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften des Elektrolyts.

Bedeutung der NPT-Simulationen

Die endgültige Größe der Simulationsbox, also der Raum, in dem die Simulation stattfindet, wird während der sogenannten NPT-Simulationen bestimmt. "NPT" steht für konstanten Druck (P), konstante Temperatur (T) und eine konstante Anzahl von Teilchen (N). Diese Bedingungen ermöglichen es, dass sich das Volumen der Simulationsbox anpassen kann, um den Druck konstant zu halten. Dies ist besonders wichtig für die Untersuchung von Flüssigkeiten und Lösungen, da es die natürlichen Bedingungen, unter denen die Elektrolyte normalerweise verwendet werden, simuliert.

Integration dieser Methoden in die Kraftfeldoptimierung

Die präzise Anpassung der Salzkonzentration und die Anwendung von NPT-Simulationen sind entscheidend für die Entwicklung und Validierung der Kraftfeldmodelle. Indem die Forscher verschiedene Konzentrationen und Boxgrößen nutzen, können sie die Leistung der Kraftfelder unter realistischen Bedingungen evaluieren und sicherstellen, dass die Modelle die physikalischen und chemischen Eigenschaften der WiS-Elektrolyte korrekt wiedergeben. Durch die kontrollierte Variation der Salzkonzentration und der Simulationsbedingungen können sie die Genauigkeit der Simulationen weiter erhöhen und tiefergehende Einblicke in das Verhalten dieser komplexen Systeme gewinnen.

Wichtigkeit der Polarisation

Die explizite Einbeziehung von Polarisationseffekten in das Kraftfeld ist entscheidend für die Erhöhung der Simulationsgenauigkeit. Durch die realistische Modellierung der Polarisationseffekte können physikalische und chemische Phänomene, die in herkömmlichen Modellen oft vernachlässigt werden, genau erfasst werden.

Skalierung und Dämpfungsfunktionen

Einführung von Skalierungsfaktoren

Um die elektrostatischen und van der Waals-Interaktionen realistischer zu gestalten, werden Skalierungsfaktoren eingeführt. Diese Faktoren justieren die Stärke der Interaktionen zwischen den Atomen und Ionen, um die tatsächlichen Verhältnisse in WiS-Elektrolyten besser abzubilden.

Dämpfungsfunktionen

Dämpfungsfunktionen sind ein weiteres wichtiges Werkzeug, das zur Feinabstimmung der Kraftfelder eingesetzt wird. Sie dienen dazu, die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den induzierten Dipolen bei kurzen Distanzen zu regulieren und so die Stabilität der Simulationen zu gewährleisten.

Zusammenfassung: Neuartige Einsichten in WiS Elektrolyte

Die vorliegende von der Dr. Babara Mez Starck Stiftung geförderte Studie zeigt die Kraft der Kombination von molekulardynamischen Simulationen auf der Basis der Quantenchemie mit ML-Methoden. Der mehrstufige Optimierungsprozess führte zu einem polarisierbaren Kraftfeldmodell, das die Benchmark-Daten für wesentliche Eigenschaften des Elektrolyts effektiv reproduzierte. Allerdings zeigen die Ergebnisse kleinere Abweichungen von den Vorhersagen für Details der Ionenpaarkonfigurationen, was Raum für zukünftige Forschungsrichtungen bietet. Durch die Entwicklung und Optimierung von spezifischen Kraftfeldern konnten die Ulmer dennoch nicht nur die theoretische Chemie voranbringen, sondern auch potenziell die Effizienz und Sicherheit von Batterien verbessern.

Ausblick: Potenzielle Transformationen in der Batterietechnologie

Die Ergebnisse dieser Forschung bieten einen vielversprechenden Ausblick auf die zukünftige Entwicklung von Batterietechnologien. Mit fortschreitender Rechenleistung und weiterentwickelten Simulationstechniken wird es möglich sein, nicht nur die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Batterien zu steigern, sondern auch die Umweltverträglichkeit dieser wichtigen Energiequellen zu verbessern. Die theoretische Chemie und ihre Werkzeuge sind dabei zentral für das Verständnis und die Innovation im Bereich der Elektrolyte und darüber hinaus. 

Autor: Lasse S. Martinsen 

Quelle: https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.250/publications/Sodium-triflate-WiS-electrolyte_2024.pdf 

Ein wachsender Energiehunger

Im Barbara Mez-Starck-Haus der Universität Ulm widmet man sich der fortschrittlichen Batterietechnologieforschung, die das Potenzial hat, unsere Art der Energiespeicherung und -verwendung grundlegend zu revolutionieren. Der globale Energiebedarf steigt stetig, und innovative, leistungsfähige sowie nachhaltige Lösungen sind gefragt. Batterietechnologien, insbesondere jene mit Metallanoden und mehrwertigen Ionenträgern, bieten eine hohe Energiedichte und könnten zukünftigen Anforderungen an Energiespeichersysteme gerecht werden.

Lithium gegen Magnesium 

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien aktuell die Leistungsstandards setzen, rücken Magnesiumbatterien zunehmend in den Fokus der Wissenschaft. Magnesiumanoden bieten viele Vorteile: eine hohe Speicherkapazität und geringere Dendritenbildung, was Sicherheit und Lebensdauer der Batterien erhöht. Allerdings ist die langsame Diffusion der Mg²⁺-Ionen eine Herausforderung.

Innovative Lösungsansätze

Forschungsteams weltweit entwickeln Strategien, um die Mobilität von Mg²⁺-Ionen zu verbessern. Methoden wie die Partikelverkleinerung, die Schaffung von Leerstellen durch Dotierung und vor allem die Ko-Interkalation mit schnelleren Li⁺-Ionen durch einen spezialisierten Doppelsalz-Elektrolyten zeigen vielversprechende Ergebnisse. Ko-Interkalation ist ein Prozess, bei dem Ionen, Atome oder Moleküle in das Kristallgitter eines Materials eingefügt werden, ohne dessen Struktur wesentlich zu verändern.

TiS₂ als Schlüsselkomponente

TiS₂ (Titan(IV)-sulfid), bekannt für seine exzellente Interkalationsfähigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit, ist entscheidend für die verbesserte Batterieleistung. Es ermöglicht die stabile Einlagerung von Magnesium- und Lithiumionen, erhöht die Beweglichkeit der Mg²⁺-Ionen und steigert die Energiespeicherkapazität sowie die Reaktionsgeschwindigkeit der Batterie. Die Ausweitung des Ko-Interkalationsansatzes auf Natriumionen zeigt die Flexibilität der Methode und bietet weitere Wege zur Optimierung der Batterieleistung.

Überlegenheit der Doppelsalz-Elektrolyte

Die in der Studie verwendeten Doppelsalz-Elektrolyte weisen aufgrund der starken Kohlenstoff-Fluor-Bindung in Borat-Anion eine überlegene anodische Stabilität auf. Sie sind ein entscheidender Fortschritt gegenüber älteren Elektrolyten, die entweder korrosiv waren oder eine begrenzte Stabilität boten. Dies erweitert die Leistungsgrenzen von Batterien und macht sie sicherer.

Die Bedeutung der Ko-Interkalationsmethode

Die simultane Aufnahme von Mg²⁺ und Li⁺ direkt in die Kristallstruktur von TiS₂ ohne künstliche Veränderungen erhält die strukturelle Integrität und reduziert die Desolvatisierungsenergie - die Energie, die notwendig ist, um Ionen von umgebenden Lösungsmittelmolekülen zu trennen. Diese Methode verbessert nicht nur die elektrochemische Leistung, sondern auch die Effizienz und Kapazität der Batterie ohne aufwendige Designänderungen.

Fazit

Die Strategie der Dual-Kationen-Ko-Interkalation bietet einen signifikanten Fortschritt in der Batterietechnologie und nutzt die besonderen Eigenschaften von TiS₂. Diese Technik überwindet Leistungsgrenzen herkömmlicher Magnesiumbatterien und ermöglicht eine effizientere Bewegung der Mg²⁺-Ionen. Mit erhöhter Energiedichte und schnelleren Ladezeiten könnten so die Horizonte für leistungsfähigere, effizientere und langlebigere Energiespeichersysteme erweitert werden. Dieser Ansatz zeigt die Bedeutung von innovativen Materialwissenschaften und Elektrochemie in der Batterieforschung auf und präsentiert praktische Lösungen, um der global steigenden Nachfrage nach nachhaltigen und verlässlichen Energiequellen zu begegnen. Die Ergebnisse aus Ulm, gefördert unter anderem von der Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung, versprechen, Magnesiumbatterien aus ihrem Schattendasein zu holen und in den Vordergrund der Energiespeicherlösungen zu rücken.

Dieser Durchbruch in der Ko-Interkalationstechnik weckt berechtigte Hoffnungen auf eine Zukunft, in der Batterien nicht nur umweltfreundlicher und sicherer sind, sondern auch in puncto Leistung und Kosten mit den heute vorherrschenden Lithium-Ionen-Alternativen konkurrieren oder diese sogar übertreffen können. 

Autor: Lasse S. Martinsen 

Quelle: https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.250/publications/NatComm_15_492_2024_dual_cation.pdf

Lasse Martinsen: Heute begrüßen wir Frau Katharina Helmbrecht, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin am Institut für Theoretische Chemie an der Universität Ulm. Frau Helmbrecht Sie haben kürzlich an der Konferenz der Deutschen Physikalischen Gesellschaft teilgenommen, wo Sie sich insbesondere den Batteriesessions gewidmet haben. Frau Helmbrecht, auf dieser Konferenz haben Sie sich intensiv mit den neuesten Entwicklungen im Bereich der Batterietechnologien auseinandergesetzt. Welche Innovationen oder Fortschritte in diesem Bereich halten Sie für besonders zukunftsweisend und warum?

Katharina Helmbrecht: 

Die Konferenz bot spannende Einblicke in die aktuelle Forschung von vielen Arbeitsgruppen über neue Konzepte, Materialen und auch Methoden an die Batterieforschung heranzugehen, welche im Zentrum unserer Forschung steht. Alternativen zu Lithium, wie Magnesium, Natrium und andere Alkalimetalle sind hier besonders interessant für uns, da mit ihnen nachhaltigere Batterielösungen zu finden sind.

Lasse Martinsen: Auf der Konferenz der Deutschen Physikalischen Gesellschaft sind Sie sicherlich tief in Ihr Fachgebiet eingetaucht. Nehmen Sie sich dort auch die Zeit, themenfremde Vorträge zu besuchen, um Ihren wissenschaftlichen Horizont zu erweitern?

Katharina Helmbrecht: 

Natürlich ist eine besonders große Konferenz sehr gut dazu geeignet auch über den Tellerrand zu blicken und völlig neue spannende Themen kennenzulernen. Ein Vortrag über künstliche Spinnenseide hat mich besonders fasziniert. Die Forschungsgruppe arbeitet daran, Spinnenseide möglichst naturgetreu zu reproduzieren, um die bereits bekannten einzigartigen Eigenschaften von Elastizität und Festigkeit dieser in der Medizin und Materialwissenschaft besser ausschöpfen zu können. Zum Beispiel kann ein engmaschiges Netz aus dieser Seide bei der Behandlung von Verbrennungen als ein Gerüst für die nachwachsenden Zellen dienen. 

Lasse Martinsen: Jetzt würde ich mich gerne dem wissenschaftlichen Alltag zuwenden. Könnten Sie uns einen Einblick geben? Welche Aufgaben und Aktivitäten füllen Ihre Tage, und was nimmt dabei den größten Teil Ihrer Zeit in Anspruch?

Katharina Helmbrecht: 

Der größte Teil meines Arbeitsalltags ist von eigenständiger Forschungsarbeit geprägt. Diese besteht hauptsächlich aus der Analyse und Simulation von möglichen Materialien für Batterieanwendungen, welche ich überwiegend selbstständig durchführe, mit gelegentlichen Rücksprachen mit meinen Betreuern.

Hierbei ist es unser Ziel Vorhersagen und Erklärungen für Verhalten von Materialen in neuen Batterieanwendungen zu finden. Dieses Ziel erreichen wir mit quantenchemischen Berechnungen, die es uns ermöglichen Eigenschaften auf atomarer Ebene zu beeinflussen und aufzuklären. Oft arbeiten wir dabei mit Experimentatoren zusammen, die dieselben Materialen experimentell erforschen. Allerdings ist es auch möglich fundamentale Eigenschaften zu betrachten, welche experimentell nicht abzubilden sind oder in großer Zahl geeignete Materialien zu berechnen, um die Materialen zu finden welche für experimentelle Forschung interessant sind.

Interessanterweise entspricht diese Herangehensweise genau meiner kindlichen Vorstellung von ‚richtiger‘ Wissenschaft. Das wenn man ein System genau genug verstanden hat, es gar keine Experimente mehr braucht, sondern alles sich einfach berechnen lässt.

Lasse Martinsen: Wenn Sie sich einem neuen Forschungsthema oder speziell einer neuen Materialstruktur zuwenden, wie nähern Sie sich diesem anfänglich unbekannten Terrain methodisch an?

Katharina Helmbrecht: 

Wenn ich mich in ein neues Thema einarbeite, starte ich am liebsten mit der Struktur selbst. Bei meinem aktuellen Projekt mit dem Superionenleiter NASICON zum Beispiel wurde mir die Struktur aus experimentellen Messungen meiner Kollegin zur Verfügung gestellt. Diese ist für NASICON recht komplex mit 105 Atomen in der Einheitszelle, die beim ersten Betrachten nur eine verwirrende Ansammlung bunter Kugeln darstellt. Hier nehme ich mir die Zeit selbst ein grundlegendes Verständnis für die Struktur, ihre Symmetrien und möglichen Pfade durch die Struktur zu erschließen, bevor ich mit den Berechnungen beginne. Dazu gibt es für beliebtere Strukturen auch oft schon Literatur, doch ist die Nomenklatur dort nicht immer einheitlich und teilweise sehr abstrakt beschrieben und daher schwer zu verstehen. Es ist mir wichtig mein eigenes Verständnis für das Material zu entwickeln, um Missverständnisse zu vermeiden und eventuelle Fehler aus vorherigen Projekten nicht ungefragt zu reproduzieren. 

Lasse Martinsen: Auf welche Ihrer wissenschaftlichen Errungenschaften Ihrer noch jungen wissenschaftlichen Karriere sind Sie besonders stolz? Gibt es bestimmte Erkenntnisse oder Publikationen, die Ihnen besonders am Herzen lagen?

Katharina Helmbrecht: 

Mein bedeutendstes Projekt war bisher eindeutig mein erstes eigenständiges Paper. Meine Kollegen haben mich beim Schreibprozess und mit Ratschlägen zu den Rechnungen unterstützt, die Berechnungen und große Teile der Auswertung habe ich allerdings eigenständig durchgeführt.

Zudem freue ich mich immer, wenn ich durch meine Lehrtätigkeiten und mein Engagement in Seminaren bei den Studierenden das Interesse and theoretischer Chemie wecken kann und ihnen die Angst nehmen, dass wir den ganzen Tag nur Differentialgleichungen lösen. Das macht glücklicherweise der Computer für uns.

Lasse Martinsen: Nachdem Sie uns einen tiefen Einblick in Ihre fokussierte und geistig anspruchsvolle Arbeit gegeben haben, würden wir gerne erfahren, wie Sie nach einem intensiven Arbeitstag abschalten. Welche Aktivitäten helfen Ihnen, den nötigen Ausgleich zu finden?

Katharina Helmbrecht: 

Da ich berufliche sehr viel Zeit vor dem Computer und mit reinem Nachdenken über komplexe Zusammenhänge und Fragestellungen verbringe, ist es wichtig für mich mit meiner Freizeit einen Gegenpol zu schaffen und auch mal von Bildschirmen wegzukommen. Ich probiere mich dabei durch alle möglichen handwerklichen Hobbies durch und habe vom Nähen über Malen, Gärtnern oder das Abschleifen meines Schreibtischs schon vieles ausprobiert. Das Wichtigste ist für mich hierbei am Ende etwas Greifbares geschaffen zu haben. Das steht für mich im Kontrast zu meiner hauptsächlich abstrakten Arbeit, bei der ich oft wochenlang herumprobiere und Rechnungen durchführe, um am Ende eine weitere Zahl in meine Exceltabelle eintragen zu können. 

Lasse Martinsen: Sie sind nun schon seit einiger Zeit an der Universität Ulm tätig, die stark durch die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung unterstützt wird. Was schätzen Sie besonders an dieser Universität, und was hat Sie dazu bewogen, hierherzukommen?

Katharina Helmbrecht: 

Ja, ich bin in der Tat seit fast zehn Jahren an der Universität Ulm. Für meinen Bachelor habe ich Ulm noch eher zufälliger ausgewählt, da ich es damals sehr schwer abzuschätzen fand, was eine Uni besser macht als eine andere. Doch dann habe ich mich bewusst dafür entschieden mein Studium hier zu beenden und meine Promotion aufzunehmen. Ein entscheidender Faktor war hier auch die Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Axel Groß, unter dessen Leitung ich meine Forschungsarbeit durchführe. 

Wegen ihm bieten die Universität Ulm ein besonderes Umfeld für die theoretische Chemie und Batterieforschung.

Lasse Martinsen: Gab es schon immer eine Leidenschaft für die Chemiewissenschaft in Ihrem Leben, oder hatten Sie als Kind andere Berufswünsche, die Ihre Karriere und Interessen beeinflusst haben?

Katharina Helmbrecht: 

Tatsächlich habe ich mich schon immer für Wissenschaft und Forschung interessiert. Allerdings wollte ich als Kind dafür als Astronautin noch ganz hoch hinaus. Als ich in der dritten Klasse dann aber eine Brille bekam und damit die perfekte Sehkraft, die man dafür mindestens benötigt, nicht mehr vorweisen konnte, habe ich mich angepasst. 

Später wollte ich dann erst in Richtung medizinische Forschung gehen, um die Mysterien des Lebens auf molekularer Ebene zu erforschen. Dafür habe ich dann als Start Chemie studiert und hier schnell gemerkt, dass mich die physikalische Chemie und auch die Quantenmechanik mehr faszinierten und damit eine neue Perspektive und Berufung boten. So habe ich dann bereits meine Bachelorarbeit über die theoretische Chemie verfasst. Hier bin ich froh ein Grundlagenstudium aufgenommen zu haben in dem so eine Umorientierung ohne Probleme möglich war.

Die Möglichkeit vielleicht eines Tages bei der ESA an neuen Batteriekonzepten für die Raumfahrt zu arbeiten oder meine Erfahrung mit der Quantenmechanik anderweitig anzuwenden, hat immer noch großen Reiz für mich. Meine fundamentale Begeisterung für den Weltraum und seine Möglichkeiten an den Grenzen unseres menschlichen Wissens zu forschen hat mir der erste Rückschlag vor 20 Jahren nicht austreiben können und wird mich auch weiter inspirieren.

Lasse Martinsen: Angesichts Ihrer breit gefächerten Interessen auch zum Thema Nachhaltigkeit, wie sehen Sie die Zukunft der Energieversorgung und Mobilität?

Katharina Helmbrecht: Ich bin überzeugt, dass die notwendigen Technologien für eine nachhaltigere Zukunft bereits existieren. Entscheidend ist deren Einsatz und der politische Wille, strukturelle Veränderungen umzusetzen. Es geht nicht nur um bessere Batterien, sondern auch um ein neues Verständnis von Energieproduktion, -verteilung und -nutzung.

Lasse Martinsen: Frau Helmbrecht, ich danke Ihnen herzlich für dieses inspirierende Gespräch. Ihre Leidenschaft für die Wissenschaft und Ihre Fähigkeit, Herausforderungen als Chancen zu sehen, sind wirklich bewundernswert. Sie haben uns gezeigt, dass auch wenn sich die Träume im Laufe der Zeit ändern mögen, die Neugier und der Drang, die Welt zu verstehen und zu verbessern, erhalten bleiben. Vielleicht führt Sie Ihr Weg eines Tages zur ESA oder zu neuen, unerwarteten Abenteuern in der Wissenschaft. Ich wünsche Ihnen auf diesem Weg alles Gute und freue mich darauf, von Ihren zukünftigen Entdeckungen zu hören.

Katharina Helmbrecht: 

Vielen Dank für das nette Gespräch und Ihr Interesse an meiner Arbeit und unserer Forschung. Es ist immer eine Freude sich über die Faszination Wissenschaft auszutauschen.

Die globale Erwärmung und ihre dramatischen Auswirkungen sind längst keine ferne Zukunftsmusik mehr, sondern eine harte Realität. Während die Welt mit steigenden Temperaturen und ihren zerstörerischen Konsequenzen ringt, suchen Wissenschaftler fieberhaft nach Lösungen, um den Anstieg der Treibhausgasemissionen zu bekämpfen und deren Auswirkungen zu minimieren. Ein vielversprechender Ansatz in diesem Kampf sind die sogenannten negativen Emissionstechnologien (NETs), die darauf abzielen, das klimaschädliche CO₂ direkt aus der Atmosphäre zu entfernen und sicher zu speichern. Doch wie genau funktioniert das, und was macht diese Technologien so besonders?

Die Geheimnisse von Zink-Batterien

Zink-Manganoxid-Batterien (ZIBs) repräsentieren aufgrund ihrer umweltfreundlichen Komponenten und ihrer hohen Energiedichte eine Alternative zu den etablierten Batterietechnologien. Unter den konventionellen Energiespeichern nehmen Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) derzeit eine vorherrschende Position ein, insbesondere in Anwendungen für tragbare Elektronikgeräte und Elektrofahrzeuge. Hier werden sie aufgrund ihrer guten Energiedichte, minimalen Selbstentladungsraten und Abwesenheit des Memory-Effekts geschätzt. Nichtsdestotrotz sind Li-Ion-Systeme aufgrund der Nutzung kritischer und damit teurer Rohstoffe und der Verwendung brennbarer organischer Elektrolyte mit Nachteilen verbunden.

In diesem Kontext offenbaren ZIBs ein großes Entwicklungspotential. Die zugrundeliegenden Prozesse während der Ladungs- und Entladungsdynamik in ZIBs charakterisieren sich durch eine hohe Komplexität, die bisher nur ansatzweise verstanden wurde. Um diese komplexen elektrochemischen Interaktionen zu entschlüsseln, führt das Institut für Theoretische Chemie der Universität Ulm hochmoderne quantenchemische Modellierungen durch, die dann in Kontinuumsmodellierungen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrtforschung (DLR) in Ulm einfließen. Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, ein detailliertes Verständnis der charakteristischen biphasischen Zyklen in ZIBs zu erlangen, die einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsparameter und die langfristige Stabilität dieser Batterien haben könnten. Durch diese tiefergehende Analyse wird angestrebt, ein fundamentales Verständnis der zugrundeliegenden elektrochemischen Mechanismen zu entwickeln, welches für die Optimierung und Weiterentwicklung dieser vielversprechenden Batterietechnologie unerlässlich ist.

Hintergrund: Warum Zink-Manganoxid-Batterien?

ZIBs verfügen über Zinkanoden und Manganoxid-Kathoden, die in einer Zinksulfatlösung arbeiten. Ihre Besonderheit liegt in der Verwendung eines wasserbasierten Elektrolyten, was sie sicherer und umweltfreundlicher macht als viele andere Batterietypen. Frühere Experimente zeigten bereits eine bessere Wiederaufladbarkeit dieser Batterien im Vergleich zu ihren alkalischen Gegenstücken.

Mechanismen der Ladungsspeicherung 

Die Ladungsspeicherung in ZIBs ist ein facettenreicher Prozess, der durch das Zusammenspiel mehrerer chemischer Reaktionen ermöglicht wird. Ein schematischer Überblick verdeutlicht die zugrundeliegenden Ladungsspeichermechanismen in ZIBs: Am linken Rand wird die Redoxreaktion der Zinkmetallanode (I) illustriert. An der Kathode finden die elektrochemischen Reaktionen statt: die Insertion von Zinkionen (II.a), die Auflösung von Manganionen (Mn²⁺) (II.b) sowie die Einlagerung von Wasserstoffionen (H⁺) (II.c). In der unteren rechten Ecke der Abbildung wird die Abscheidung von ZHS (III) gezeigt, ein Phänomen, das experimentell an der Kathode beobachtet wird.

Die Entscheidung der Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung, in den Bau einer Immobilie zu investieren, markiert einen Wendepunkt in der Geschichte der Stiftung und unterstreicht deren Engagement für die Förderung der Wissenschaft und Bildung. Diese Investition geht weit über den finanziellen Aspekt hinaus und trägt auf vielfältige Weise zur Erfüllung des Stiftungszwecks bei.

Förderung von Wissenschaft und Bildung

Die Stiftung hat mit dem Bau des Mez-Starck-Hauses nicht nur eine sichere Kapitalanlage getätigt, sondern auch einen Ort geschaffen, der die Forschung und Bildung auf mehreren Ebenen unterstützt. Senator Werner Braun betont die Bedeutung dieser Investition: „Mit der Investition in eine nachhaltige Immobilie am Campus der Universität Ulm tätigen wir nicht nur eine kluge Vermögensanlage, sondern fördern gleichzeitig den wissenschaftlichen Fortschritt."

Das Gebäude bietet dem Institut für Theoretische Chemie und dessen Arbeitsgruppe Chemical Information Systems moderne und effiziente Arbeitsumfelder, die ihre Forschung im Bereich der Naturwissenschaften positiv beeinflussen werden. „Dieses Gebäude wird nicht nur die Arbeitsbedingungen für uns Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verbessern, sondern auch ein Anziehungspunkt für junge Talente sein", unterstreicht Prof. Dr. Axel Groß die Bedeutung dieser Einrichtung für die wissenschaftliche Gemeinschaft.

Nachhaltige und langfristige Finanzsicherung

Durch die Vermietung des Gebäudes an die Universität Ulm sichert die Stiftung nicht nur langfristige Einnahmen, sondern stärkt auch die Bindung zwischen der Stiftung und der Universität. Dies unterstreicht das Engagement der Stiftung, langfristig zum Wissenschaftsstandort Ulm beizutragen.

Ein architektonisches Konzept mit Weitblick

Das von Architekt Stefan Rapp entworfene Mez-Starck-Haus am Oberen Eselsberg ist ein Paradebeispiel für zukunftsorientiertes Bauen. „Unser Ziel war es, ein Gebäude zu schaffen, das nicht nur funktional und ästhetisch ansprechend ist, sondern auch den ökologischen Aspekten Rechnung trägt", erklärt Architekt Rapp. Durch die Verwendung von Holz und Beton in einer Hybridbauweise wurde eine nachhaltige und ressourcenschonende Architektur realisiert, die den zirkulären Gedanken in den Vordergrund stellt und somit einen bedeutenden Beitrag zur Schonung der Umwelt leistet.

Eine beispielhafte Investition für Stiftungen

Die Investition der Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung in den Bau einer Immobilie für die Universität Ulm ist ein beispielhaftes Modell für die Verbindung von ökonomischer Weitsicht und ökologischer Verantwortung. Das Mez-Starck-Haus steht nicht nur für nachhaltige Architektur und die Förderung der Wissenschaft, sondern auch für die visionäre Strategie einer Stiftung, die es versteht, ihren Stiftungszweck auf innovativen Wegen zu erfüllen. Damit setzt die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung Maßstäbe für zukunftsorientiertes Engagement und unterstreicht die Bedeutung von Investitionen, die sowohl finanzielle Sicherheit als auch gesellschaftlichen Mehrwert schaffen.

Chem4Quant hat sich gegen weitere Bewerber durchgesetzt

Die Universität Ulm hat in einer strategischen Partnerschaft mit dem renommierten Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie der Universität Stuttgart einen bedeutenden Schritt vorwärts gemacht, indem sie sich gemeinsam um einen prestigeträchtigen Exzellenzcluster beworben haben. Diese Bewerbung markiert einen wichtigen Meilenstein in ihrem Bestreben, ihre Forschungskapazitäten und -kompetenzen weiter auszubauen und zu stärken.

Im Rahmen dieses ambitionierten Projekts hat das Konsortium nun eine signifikante Hürde überwunden: Unter der Vielzahl von Einreichungen, genauer gesagt 143 Antragsskizzen, hat es die "Chem4Quant"-Initiative der Universität Ulm geschafft, sich in dem hochkompetitiven Auswahlprozess durchzusetzen. Lediglich 41 der eingereichten Skizzen wurden für die nächste Phase der Antragstellung – die Einreichung eines Vollantrags – ausgewählt. Dieser Erfolg unterstreicht nicht nur die hohe Qualität und Innovationskraft der vorgeschlagenen Forschungsideen, sondern positioniert die "Chem4Quant"-Initiative auch hervorragend im Rennen um die begehrte Förderung. Sollte der Vollantrag erfolgreich sein, wird die Initiative Teil eines exklusiven Kreises von 98 Exzellenzclustern sein, die eine Förderung beantragt haben, einschließlich der 57 Cluster, die bereits seit 2019 unterstützt werden.

Im Zentrum des wissenschaftlichen Vorstoßes in unentdeckte Bereiche der Quantentechnologie steht der Exzellenzcluster „Chem4Quant“. Hier werden mit mikroskopischer Präzision Materialstrukturen entwickelt, die als Fundament für die fortschrittlichsten Quantentechnologien der Zukunft dienen sollen. Experten aus den Feldern der Computerwissenschaften, Materialkunde, Physik und Chemie bündeln ihr fachspezifisches Know-how, um in interdisziplinärer Kollaboration neue Erkenntnisse zu generieren.

„Chem4Quant“ besitzt ein starkes Netzwerk aus etablierten Kooperationen und somit eine Expertise im Bereich der molekularen Quantensysteme, die weltweit einmalig ist. Chemisch gezielt definierbare Quantenarchitekturen dienen beispielsweise als Grundlage für ein zukünftiges Quanteninternet. Unter Nutzung einer chemischen Basis werden Qubit-Materialien so aufgebaut, dass sie den speziellen quantentechnologischen Anforderungen entsprechen. 

Dieser Ansatz ist deshalb so besonders, weil viele der aktuell genutzten chemischen Plattformen in Hinsicht auf genaue Definition, Skalierbarkeit, Positionierungsmöglichkeiten sowie Ausgleich von Fehlern limitiert sind. Es wäre erstmals eine Positionierung von elektrischen oder photonischen Modulen möglich, die unterhalb des Nanometerbereichs liegt. Durch die Erforschung innovativer Qubit-Materialien können erste Elemente für das künftige Quanteninternet verwirklicht werden.

Diese Vorreiterrolle in der Nanotechnologie markiert einen Wendepunkt hin zu einer Ära, in der die Quantenkommunikation die Grenzen theoretischer Modelle überwindet und praktisch implementierbar wird. Das ambitionierte Forschungsprojekt von "Chem4Quant" ist darauf ausgerichtet, ein robustes Fundament für die Realisierung einer skalierbaren und präzise steuerbaren Quanteninfrastruktur zu schaffen. Solch eine Infrastruktur ist für die Integration von Quantentechnologien in kommerzielle Anwendungen unerlässlich. Die Überwindung aktueller Einschränkungen in der Präzisionschemie eröffnet nicht nur innovative Perspektiven für den Quantencomputing-Sektor, sondern ebnet auch den Weg für die Entwicklung von Quantenkommunikationssystemen, die potenziell einschneidende Auswirkungen auf unsere Informationsgesellschaft haben könnten. Jede wissenschaftliche Errungenschaft, die im Rahmen von "Chem4Quant" erzielt wird, leistet somit einen essenziellen Beitrag zur Transformation der Quantentechnologie von einer faszinierenden theoretischen Möglichkeit in eine praktisch umsetzbare, fortschrittliche Technologie.

Mit den Initiativen Chem4Quant und POLiS positioniert sich die Universität Ulm nun mit zwei vielversprechenden Anträgen im Wettbewerb um die begehrten Exzellenzcluster. Das Projekt POLiS (Post-Lithium Energy Storage) wird bereits seit 2019 gefördert und steht exemplarisch für die herausragende Forschung an der Universität. Im Zentrum dieser Initiative steht das renommierte Institut für Theoretische Chemie der Universität Ulm, das sich unter anderem durch die Unterstützung der Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung auszeichnet. Prof. Dr. Axel Groß, der Direktor des Instituts, nimmt als einer der führenden Sprecher des Clusters eine zentrale Rolle ein und trägt entscheidend zur Erstellung des Fortsetzungsantrags bei, der in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Justus-Liebig-Universität Gießen eingereicht wird.

Das von den beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gezeigte Engagement und der Forschungseifer verleihen dem Institut eine vitale Rolle innerhalb dieses Netzwerks. Gleichzeitig spiegeln sie die tiefe Verwurzelung des Instituts in den Prinzipien akademischer Exzellenz wider. Durch die Projekte Chem4Quant und POLiS eröffnen sich zudem wertvolle Synergieeffekte, insbesondere in der materialorientierten Grundlagenforschung, die das Potential haben, die Forschungslandschaft nachhaltig zu prägen.

Die Bewilligung dieser beiden Clusteranträge würde der Universität Ulm die Möglichkeit eröffnen, im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder einen weiteren, signifikanten Schritt zu gehen: die Beantragung der Förderlinie „Exzellenzuniversität“. Eine solche Entwicklung könnte die Sichtbarkeit und Anerkennung der Forschungsaktivitäten der Universität Ulm erheblich steigern. Die Anerkennung als Exzellenzuniversität wäre nicht nur eine Bestätigung für die bisher geleistete Arbeit, sondern auch ein wichtiger Katalysator für zukünftige Forschungsinitiativen. Sie würde es der Universität ermöglichen, auf nationaler und internationaler Ebene noch stärker als führende Forschungseinrichtung wahrgenommen zu werden und ihre Position an der Spitze wissenschaftlicher Innovation und Exzellenz weiter zu festigen.

Entscheidung für zukünftige Exzellenzcluster erst in 2025

Das Förderprogramm Exzellenzcluster ist Bestandteil der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) realisiert. Die ausgewählten Exzellenzcluster erhalten eine jährliche Förderung von drei bis zehn Millionen Euro für jeweils sieben Jahre. Es sind maximal zwei Förderperioden von somit insgesamt 14 Jahren möglich. Ende Mai 2015 wird die finale Förderentscheidung über die künftigen Exzellenzcluster getroffen. 

Hallo Frau Prof. Dr. Melanie Schnell, schön dass Sie sich etwas Zeit für ein Interview mit uns nehmen. Wenn man Sie googelt bekommt man schnell einen ersten Eindruck, an was für Themen Sie in ihrem Fachgebiet bis heute bereits geforscht haben und vor allem, wo Sie überall herumgekommen sind in der Welt. Wir sind schwer beeindruckt und finden das Thema ihrer Forschung sehr spannend, auch wenn wir technisch gesehen recht wenig davon verstehen, müssen wir zugeben. 

Wann haben Sie denn in Ihrem Leben angefangen sich für die Forschung – und speziell für die Physik und die Chemie – zu interessieren? 

Das Interesse an Forschung ist bei mir bereits zu Beginn des Studiums aufgekommen. Ich fand und finde es faszinierend, mir grundlegende Kenntnisse anzueignen und dann daran zu arbeiten, diese weiter zu entwickeln.

Ich wuchs dörflich und recht naturnah auf. Meine Großmutter hatte einen sehr großen Gemüsegarten. Schon früh fragte ich mich, warum beispielsweise manche Pflanzen aus „Zwiebeln“, andere aus „Bohnen“ und wieder andere aus kleinen Samen wuchsen. Mit dieser frühen Neugier für solche eher biologischen Zusammenhänge entdeckte ich in der Schule mein Interesse für die Chemie, bis ich dann im Studium bei der Physikalischen Chemie ankam – für mich ideal: Physikalische Methoden zu entwickeln, um chemische Zusammenhänge zu verstehen. Auch hier kam und kommt mir wieder meine Kindheit entgegen. Mein Vater baute zu Hause vieles selbst – und wir Kinder durften und (manchmal) mussten helfen. So wurde ich früh an Werkzeuge und handwerkliches Arbeiten herangeführt – eine wichtige Grundlage für unsere Laborarbeiten.

Erklären Sie uns doch bitte kurz, für was Ihr Forschungsbereich steht und wo Ihre Ergebnisse überall genutzt werden können?

Kurzfassen ist nicht meine Stärke, daher hier eine etwas ausführlichere Kurzversion.

Wir entwickeln und nutzen spektroskopische Methoden, um Molekülverbindungen mit großer Genauigkeit untersuchen zu können. Unser Forschungsinteresse konzentriert sich da jeweils auf die molekulare Ebene – wir wollen z.B. verstehen, wie Moleküle im Detail miteinander wechselwirken und damit, wie schon kleinste Veränderungen an diesen Molekülen zu anderen Wechselwirkungen führen können. Und diese Wechselwirkungen sind es schlussendlich, die die Funktion und damit Wirksamkeit von Molekülverbindungen bestimmt. Zum Beispiel können selbst relativ kleine Moleküle ihre bevorzugte Struktur ändern, je nachdem, ob sie sich in Wasser oder Ethanol, d.h. Alkohol, als Lösungsmittel befinden. Dieses gilt es zu verstehen.

Ein zweiter Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf den Untersuchungen chiraler Moleküle. Diese Moleküle kommen in zwei Formen vor, den Enantiomeren, die wie unsere beiden Hände Spiegelbildcharakter haben, d.h. nicht einfach ineinander überführt werden können. Während diese beiden Enantiomere identische physikalische Eigenschaften wie Siedepunkte und Schmelzpunkte aufweisen, können sie hochgradig verschiedene biochemische Eigenschaften haben. Dieses zeigt sich beispielsweise in unterschiedlichen Wirksamkeiten chiraler Wirkstoffmoleküle wie Ibuprofen: Während das eine Enantiomer, d.h. die eine Händigkeit, des Ibuprofens die bekannte schmerzstillende und entzündungshemmende Wirkung hat, ist das andere Enantiomer zunächst weitestgehend unwirksam und wird schließlich im Körper durch ein Enzym in die wirksame Komponente umgewandelt – eine interessante Langzeitwirkung. Diese Unterschiede in der biochemischen und medizinischen Wirksamkeit gilt es auf der Molekülebene zu verstehen. Darüber hinaus entwickeln wir Methoden, mit denen wir chirale Molekülverbindungen identifizieren und unterscheiden können.

Unser dritter Forschungsbereich bringt uns weg von der Erde ins Weltall. Wir charakterisieren Molekülverbindungen, die auch eine Rolle in der Chemie des interstellaren Raums spielen können. Dieser Raum zwischen den Sternen ist nicht leer, sondern gefüllt mit Molekülwolken, die sich unter bestimmten Umständen weiter verdichten und dann der Beginn eines neuen Sterns werden können. Das Inventar solcher Molekülwolken wird mit Teleskopen untersucht. Diese Teleskope können die Molekülfingerabdrücke, die die Molekülverbindungen nach Anregung durch Sternenlicht aussenden, einsammeln. Um diesen spektralen Fingerabdrücken spezielle Molekülverbindungen zuordnen zu können, untersuchen wir geeignete Molekülverbindungen im Labor und stellen diese Informationen Radioastronominnen und -astronomen, die die Teleskope betreiben, für ihre Analyse zur Verfügung. So kann man nach und nach das große Puzzle, welche Molekülverbindungen im Weltall vorkommen und wie diese gebildet wurden und ggf. weiterreagieren, vervollständigen.

Sie sind seit einigen Jahren Professorin an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und Leitende Wissenschaftlerin bei DESY in der Forschungsgruppe „Spektroskopie molekularer Prozesse“. Woran forschen Sie denn aktuell im Speziellen? Auf was darf man gespannt sein?

Allgemeine Beispiele unserer Forschung hatte ich ja gerade bereits genannt. Ganz aktuell beschäftigen wir uns zum Beispiel damit, die Enantiomere chiraler Moleküle nicht nur zu unterscheiden, sondern auch zu trennen, so dass wir dann sehr kontrollierte Untersuchungen an ihnen vornehmen können. Unsere Methode ist insbesondere für die Molekülsysteme interessant, deren Enantiomere nicht einfach auf anderen Wegen getrennt werden können. Hier kommen wir ins Spiel.

Was war für Sie der Anlass, sich zukünftig bei der Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung mit einzubringen? Wie haben Sie von der Stiftung erfahren?

Ich kenne die Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung schon seit vielen Jahren, in erster Linie über die Mogadoc-Datenbank, die wir bereits während meiner Promotionszeit an der Universität Hannover verwendet haben, um spektroskopische Informationen zu bestimmten Molekülverbindungen schnell zur Hand zu haben. In meinem Forschungsbereich der Molekülspektroskopie ist die Dr. Barbara Mez-Starck-Stiftung auch über den internationalen Dr. Barbara Mez-Starck-Forschungspreis über alle Ländergrenzen hinaus bekannt, und ich fühlte mich sehr geehrt, als ich 2021 mit eben diesem Preis ausgezeichnet wurde.

Sie haben für ihre Forschungsergebnisse bereits zahlreiche Preise und Auszeichnungen gewonnen – unter anderem 2013 den Helene-Lange-Preis – der ausschließlich Nachwuchswissenschaftlerinnen in den MINT-Fächern und deren überragende Leistungen Tribut zollt und sie für ihre Leistungen ehrt. Wie sehen Sie das nach wie vor ungleiche Verhältnis der Geschlechter in den Wissenschaften? 

Zunächst einmal ist es mir ein generelles Anliegen, junge Leute für die Naturwissenschaften zu begeistern, z.B. mit Vorträgen, durch SchülerInnenpraktika in der Forschungsgruppe oder bei Besuchen von Schülerinnen und Schüler. Darüber hinaus bin ich fest davon überzeugt, dass Rollenvorbilder sehr wichtig sind, um sich bestimmte Berufs- und Entwicklungswege besser vorstellen zu können und auch zuzutrauen. Hier versuche ich sehr aufmerksam zu sein, z.B. indem ich bei Konferenzen, die wir planen, besonders darauf achte, einen ausgeglichenen Anteil an Wissenschaftlerinnen einzuladen. Dieses erhöht zum einen die Sichtbarkeit der einzelnen Personen, aber auch die Sichtbarkeit von Wissenschaftlerinnen im Allgemeinen. Als ich Ende der 1990er Chemie studierte, gab es an meiner Universität in diesem Fach keine Professorin. Zunächst fiel mir dieses nicht wirklich auf. Erst nach einem Uniwechsel merkte ich, dass es für mich motivierend war, auch mit Professorinnen zusammen zu arbeiten – Rollenvorbildern eben. Vielfalt ist wichtig, so bleiben alle offen für anderen Ansichten und Ideen. Gerade in Zeiten, in denen einige Leute in öffentlichen Positionen vermeintlich einfache Lösungen versprechen, wird dieses immer wichtiger.

Als letztes interessiert uns noch brennend: Sind sie auch auf Social-Media-Kanälen aktiv und wenn ja, mit welcher Intention und auf welchen Plattformen? 

Nein, wir sind als Forschungsgruppe nicht auf Social-Media-Kanälen unterwegs. Wir haben eine aktive Website und betreiben viel outreach, z.B. mit Schulen, wie vorher erwähnt, aber keine Social-Media-Aktivitäten.

Wir bedanken uns herzlich für Ihre Zeit und freuen uns in Zukunft mehr von Ihnen aus dem Umfeld der Dr. Barbara-Mez-Starck-Stiftung zu hören.

Ein Interview zur Zukunft der Energiespeicher

Lasse Martinsen: Herr Dr. Mohsen Sotoudeh, Sie als führender theoretischer Wissenschaftler im Bereich Biochemie erzählen uns heute etwas über Ihre Arbeit und die Zukunft der Batterietechnologie. Könnten Sie uns zunächst ein wenig über Ihren Werdegang und Ihre aktuelle Tätigkeit erzählen?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Natürlich, Herr Martinsen, und vielen Dank für die Einladung. Ich arbeite seit über einem Jahrzehnt im Bereich der Materialwissenschaft, der theoretischen Physik und Chemie, mit einem besonderen Fokus auf Batterietechnologien und elektrochemischen Speichersystemen. Derzeit verfasse ich meine Habilitation an der Universität Ulm, wo ich mich auf die Entwicklung neuer Materialien für leistungsfähigere und nachhaltigere Batterien konzentriere.

Lasse Martinsen: Das klingt nach einer spannenden und zukunftsweisenden Arbeit. Können Sie uns ein Beispiel für eine Entdeckung geben, auf die Sie besonders stolz sind?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Einer der Höhepunkte meiner Karriere war die Entwicklung eines sogenannten Deskriptors für die Ionenmobilität, der eine starke Korrelation zwischen der Aktivierungsenergie für Diffusionsereignisse und der Ionenleitfähigkeit von Materialien zeigt. Diese Arbeit ermöglichte es uns, komplexe Eigenschaften wie die Ionenmigration durch einfache physikalische Parameter wie Elektronegativität und Ionenradien zu verstehen und vorherzusagen. Das Besondere daran war, dass wir durch diesen Ansatz in der Lage waren, Materialien zu identifizieren, die für den Einsatz in Batterien besonders geeignet sind, ohne sie tatsächlich herstellen und testen zu müssen. Diese Entdeckung, die wir durch die Einführung des Konzepts der Bindungscharakteristik mittels Elektronegativität erreicht haben, stellte einen großen Schritt in der Materialwissenschaft dar und wurde durch eine lineare Skalierungsbeziehung bestätigt. Auf diesen Erfolg bin ich stolz, da es den Weg für schnelle und effiziente Entdeckungen neuer Materialien für Batterieanwendungen ebnet.

Lasse Martinsen: Sie erwähnen, dass wissenschaftliche Entdeckungen Zeit brauchen, um in praktische Anwendungen überführt zu werden. Wie gehen Sie mit der Ungeduld der Gesellschaft um, die oft nach sofortigen Lösungen sucht?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Das ist eine Herausforderung, mit der viele Wissenschaftler konfrontiert sind. Es ist wichtig, eine Balance zu finden zwischen der Begeisterung für das Potenzial neuer Entdeckungen und der Geduld, die notwendig ist, um diese Entdeckungen sorgfältig zu validieren und weiterzuentwickeln. Wir bemühen uns, transparent zu kommunizieren, was machbar ist und was noch Zeit braucht, um Missverständnisse zu vermeiden.

Lasse Martinsen: Neben Ihrer Forschung scheinen Sie auch einen starken Fokus auf die Zusammenarbeit zu legen, sowohl innerhalb Ihrer Disziplin als auch darüber hinaus. Können Sie uns mehr darüber erzählen?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Ja, die interdisziplinäre Zusammenarbeit ist entscheidend. In meiner Arbeit begegne ich Kollegen aus der Physik, Chemie, Materialwissenschaft und sogar der Ingenieurwissenschaft. Diese Vielfalt an Perspektiven bereichert unsere Forschung enorm. Darüber hinaus lege ich großen Wert auf die Zusammenarbeit mit der nächsten Generation von Wissenschaftlern. Sie bringen frische Ideen und neue Ansätze, die für die Lösung der komplexen Herausforderungen, vor denen wir stehen, unerlässlich sind.

Lasse Martinsen: Sie sehen Sie die Wichtigkeit von Transparenz und Offenheit in der Wissenschaft und wie wirkt sich das auf Ihre Arbeit aus?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Transparenz fördert nicht nur das Vertrauen in die Wissenschaft, sondern beschleunigt auch den Erkenntnisgewinn. Durch das Teilen von Daten, Methoden und Ergebnissen können wir Doppelarbeit vermeiden und auf den Erkenntnissen anderer aufbauen. Dies ist besonders in meinem Feld der Batterieforschung von Bedeutung, wo ein schneller Fortschritt dringend benötigt wird, um den globalen Energieherausforderungen zu begegnen.

Lasse Martinsen: Was würden Sie Studierenden oder jungen Forschenden raten, die eine Karriere in Ihrem Forschungsbereich anstreben?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Ich würde ihnen raten, neugierig zu bleiben und ihre Leidenschaft für die Wissenschaft zu pflegen. Es ist wichtig, sich nicht nur auf ein enges Fachgebiet zu beschränken, sondern auch interdisziplinäre Kompetenzen zu entwickeln. Die Welt der Batterietechnologie und Materialwissenschaft ist unglaublich vielfältig und bietet zahlreiche Möglichkeiten für innovative Forschung. Zudem sollten sie die Bedeutung von Kommunikation und Zusammenarbeit nicht unterschätzen. Die Fähigkeit, Ideen klar zu vermitteln und mit anderen Disziplinen zusammenzuarbeiten, ist entscheidend für den wissenschaftlichen Fortschritt.

Lasse Martinsen: Haben Sie als Forscher nicht auch Bedenken hinsichtlich des Diebstahls Ihrer Ideen, wenn Sie so sehr auf Transparenz setzen?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Ich bin der Überzeugung, dass Transparenz tatsächlich der Schlüssel zum Schutz und zur klaren Zuordnung von Ideen ist. Je offener und freier Ideen geteilt werden, desto eindeutiger lässt sich nachverfolgen, wer den ursprünglichen Ansatz eingebracht hat.

Lasse Martinsen: Sie haben sich vor einigen Jahren speziell für die Universität Ulm entschieden. Was war der ausschlaggebende Grund für Ihren Wechsel hierhin, insbesondere im Hinblick auf Ihre Forschung in der Batterietechnologie?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Der Hauptgrund für meinen Wechsel an die Universität Ulm war die exzellente Forschungsinfrastruktur und das starke Engagement der Universität in der Batterietechnologie und Materialwissenschaft. Ulm ist bekannt für seine führende Rolle in diesen Bereichen, unterstützt durch die enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern und anderen Forschungseinrichtungen. Insbesondere die Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), die Mez Starck Stiftung und die Beteiligung an verschiedenen interdisziplinären und internationalen Projekten bieten ideale Voraussetzungen für zukunftsweisende Forschung. Hinzu kam die Möglichkeit, mit führenden Experten auf dem Gebiet der Batterieforschung zusammenzuarbeiten, was für meine Entscheidung, nach Ulm zu kommen, ausschlaggebend war. Die Kombination aus hervorragender Forschungsumgebung, Förderung innovativer Projekte und der offenen, kollaborativen Atmosphäre hat Ulm zum idealen Ort für meine wissenschaftliche Laufbahn und Weiterentwicklung gemacht.

Lasse Martinsen: Wie sehen Sie die Rolle Deutschlands in der globalen Batterieforschung und -technologie?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Deutschland hat eine starke Tradition in der Forschung und Entwicklung, insbesondere in den Ingenieurwissenschaften und der Chemie, was eine solide Grundlage für Innovationen in der Batterietechnologie bietet. Allerdings gibt es im internationalen Vergleich, besonders mit Ländern wie China oder den USA, die sehr stark in die Batterieforschung investieren, noch Aufholbedarf. Deutschland hat das Potenzial, eine führende Rolle einzunehmen, insbesondere durch die Förderung von Forschungsinitiativen und die Zusammenarbeit zwischen Universitäten, Stiftungen, Forschungsinstituten und der Industrie. Die jüngsten Investitionen in Batterieforschungszentren und die Fokussierung auf die Entwicklung nachhaltiger Batterietechnologien sind positive Schritte in diese Richtung.

Lasse Martinsen: Welche spezifischen Herausforderungen sehen Sie in der Entwicklung der nächsten Generation von Batterien?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Eine der größten Herausforderungen ist die Balance zwischen Energiekapazität, Lebensdauer und Sicherheit der Batterien. Wir müssen Materialien finden, die nicht nur eine hohe Energiedichte ermöglichen, sondern auch stabil, sicher und umweltfreundlich sind. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Nachhaltigkeit, insbesondere die Reduzierung der Abhängigkeit von seltenen oder schädlichen Materialien und die Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Batterien. Schließlich ist die Skalierung der Produktion neuer Batterietechnologien eine Herausforderung, um sie wirtschaftlich und breit verfügbar zu machen.

Lasse Martinsen: Was inspiriert Sie außerhalb der Wissenschaft? Haben Sie Hobbys oder Interessen, die Ihnen neue Perspektiven oder eine Pause vom Laboralltag bieten?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Außerhalb des Labors finde ich Entspannung und Inspiration beim mittäglichen Spaziergang mit den Kollegen. Es gibt mir die Gelegenheit, abzuschalten und gleichzeitig über meine Arbeit aus einer anderen Perspektive nachzudenken. Schwimmen ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil meines Lebens. Diese sportliche Aktivität hilft mir nicht nur, mich zu entspannen, sondern fördert auch meine Kreativität und Problemlösungsfähigkeiten, die ich in meine wissenschaftliche Arbeit einbringen kann.

Lasse Martinsen: Zum Abschluss, Dr. Sotoudeh, was motiviert Sie persönlich in Ihrer Arbeit, und was hoffen Sie für die Zukunft der Batterietechnologie?

Dr. Mohsen Sotoudeh: Meine größte Motivation ist die Aussicht, einen Beitrag zu einer nachhaltigeren und energieeffizienteren Zukunft zu leisten. Batterietechnologie ist ein Schlüsselbereich, der die Art und Weise, wie wir Energie speichern und nutzen, revolutionieren kann. Ich hoffe, dass wir durch unsere Forschung zu effizienteren, sichereren und umweltfreundlicheren Batteriesystemen beitragen können. Diese Systeme könnten nicht nur die Mobilität verändern, sondern auch den Zugang zu sauberer Energie weltweit verbessern. Letztendlich träume ich von einer Welt, in der saubere Energie für alle zugänglich ist und wissenschaftliche Innovationen Hand in Hand mit dem Schutz unseres Planeten gehen.

Lasse Martinsen: Das ist eine inspirierende Vision, Dr. Sotoudeh. Vielen Dank, dass Sie Ihre Einsichten und Hoffnungen mit uns geteilt haben. Ihre Arbeit und Ihr Engagement für die Wissenschaft und eine bessere Zukunft sind wirklich bewundernswert. Wir wünschen Ihnen weiterhin viel Erfolg bei Ihren Forschungen.

Dr. Mohsen Sotoudeh: Vielen Dank, Herr Martinsen. Es war mir eine Freude, hier zu sein und über meine Leidenschaft zu sprechen. Ich hoffe, dass unsere Gespräche dazu beitragen, mehr Menschen für die Wichtigkeit der Wissenschaft und insbesondere für die Entwicklungen im Bereich der Batterietechnologie zu sensibilisieren. Lassen Sie uns gemeinsam auf eine nachhaltigere Zukunft hinarbeiten.

Vom 24. bis 26. Januar 2024 fand der jährliche Kongress Batterieforum Deutschland in Berlin statt. Wissenschaftler aus Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen sowie der Industrie vernetzten sich und tauschten sich aus. Die Schwerpunkte des dreitägigen Kongresses waren in diesem Jahr Methoden zur Beschleunigung der Zellentwicklung, Batteriezellkomponenten, Simulation und Machine Learning, Second Use, Repair und Remanufacturing sowie Batteriesysteme.

Prof. Dr. Axel Groß, Leiter des Instituts für Theoretische Chemie an der Universität Ulm, hat mit seinem eingeladenen Vortrag (Mögliche) Beiträge der Quantenchemie zur beschleunigten Materialentwicklung bei Batterien einen wichtigen Beitrag für die Diskussion zu aktuellen wissenschaftlich-technischen Schwerpunkten geliefert. In der Präsentation wurde die Verbesserung des Verständnisses von atomaren Prozessen an Oberflächen, Grenzflächen und in Batteriematerialien betont, die auf der theoretischen Beschreibung dieser Prozesse, basierend auf den Grundprinzipien der Quantenchemie, beruht und in der Lage ist Strukturen und Prozesse in Batterien durch mikroskopische Mechanismen aufzuklären. 

Für das Fachpublikum war insbesondere der Ansatz zur Nutzung von Oxidperowskiten als Kathodenmaterial spannend, da diese einen Weg zur Nutzung weniger kritischer Materialien als in Lithium-Ionen-Batterien aufzeigen und somit einen Ansatz zur Entwicklung relevanter alternativer Batterietechnologien ermöglichen.

„Das Zusammentreffen von führenden Köpfen aus Wissenschaft und Industrie ist das Herzstück unseres Fortschritts", betonte Prof. Dr. Axel Groß. „Diese Art des Austausches ist unerlässlich, um innovative Lösungen für die Herausforderungen unserer Zeit zu finden. Ich bin angetan von dem Interesse und Engagement des Publikums hier auf dem Batterieforum. Nur als Gemeinschaft können wir den Weg für zukunftsweisende Technologien ebnen."

In der Tat bildet das Batterieforum Deutschland eine zentrale Drehscheibe, die weit über die Präsentation neuer Forschungsarbeiten hinausgeht. Die Veranstaltung fördert den kritischen Dialog und kreative Kollaborationen, die essenziell sind, um die Grenzen der Batterietechnologie zu erweitern. Durch die Verschmelzung verschiedenster Expertisen entwickelt sich das Forum zu einer Quelle der Inspiration, die den Teilnehmenden ermöglicht, ihre Ideen nicht nur zu teilen, sondern auch weiterzuentwickeln und in konkrete, interdisziplinäre Vorhaben zu transformieren.

Der Kongress, der nun im zwölften Jahr durchgeführt wurde, stellt eine ideale Plattform für den umfassenden Austausch über Batterietechnologie dar – er deckt das Spektrum von wissenschaftlichen Erkenntnissen, über wirtschaftliche Aspekte bis hin zu politischen Perspektiven ab. Neben etwa 300 Teilnehmern vor Ort in Berlin gab es weitere Zuhörer, die sich online dazugeschaltet hatten. Organisiert wurde die Tagung vom Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien (KLiB) mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).

Die richtungsweisenden Forschungsarbeiten des Instituts für Theoretische Chemie an der Universität Ulm erhalten maßgebliche Unterstützung durch die Dr. Barbara Mez-Starck Stiftung. Diese Förderung ermöglicht es dem Institut, an der Spitze der wissenschaftlichen Untersuchung und Entwicklung im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung zu stehen und dadurch wesentliche Fortschritte in der beschleunigten Materialentwicklung für Batterietechnologien zu erzielen.

Autor
Kaja G. Martinsen 

Wenn Magnesium (Mg) auf Chlorid trifft

In der Welt der Elektrochemie sorgt eine innovative Technologie für hohe Aufmerksamkeit: Chlorid-Ionen-Batterien (CIBs). Diese innovative Entwicklung könnte eine preisgünstige und nachhaltige Alternative liefern zu der Art und Weise, wie wir Energie speichern und nutzen. Das liegt daran, dass sie auf Elementen beruht, die sehr häufig sind und damit eine hohe Versorgungssicherheit und geringe Preise versprechen. Herzstück dieses technologischen Fortschritts ist die Interaktion zwischen Halogeniden, insbesondere Chlorid, und Metallanoden. Halogenide sind die charakteristischen Anionen in Elektrolyten und ihre Rolle in Batterien geht weit über die reine Leitfähigkeit hinaus. Sie sind maßgeblich für die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Batterien verantwortlich, indem sie stark mit metallischen Anoden reagieren. Besonders Magnesiumanoden stehen im Fokus der aktuellen Forschung, da sie neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsstarker Energiespeichersysteme bieten. Diese bedeutenden Forschungsarbeiten an der Universität Ulm werden durch die Finanzierung und Unterstützung der Dr. Barbara Merz-Starck Stiftung“ ermöglicht.

Magnesium und Chlorid: Eine vielversprechende Kombination

Die Wechselwirkung zwischen Mg und Chlorid zieht in der Wissenschaft große Aufmerksamkeit auf sich, insbesondere wegen der potenziellen Anwendung von Mg in CIBs. Trotz früherer Bedenken bezüglich der Korrosionsanfälligkeit von Mg durch Chlorid, haben Studien interessante Ergebnisse geliefert. Es wurde festgestellt, dass Chloridionen spezifische Stellen auf der Magnesiumoberfläche bevorzugen, besonders in hexagonal close-packed (hcp) und face-centered cubic (fcc) Hohlräumen.

Abb. 1 Verschiedene Adsorptionsstellen auf der Magnesiumbberfläche. „Hohle“ Stelle bei hcp und fcc, die als bevorzugte Adsorptionspositionen angesehen werden können. 

Salzschichten und Oberflächenstruktur

Ein weiteres Forschungsgebiet betrifft die Bildung von Salzschichten auf Metallen, ein Phänomen, das Ähnlichkeiten mit der Rostbildung aufweist. Diese Salzschichten könnten die Leistung von Magnesiumbatterien beeinflussen. Die Studie untersucht, wie Chlor (Cl) sich an Mg anheftet, ein Material, das sich durch eine stabile Oberfläche auszeichnet. Interessanterweise verändert sich der Abstand zwischen den Atomlagen auf der Magnesiumoberfläche in einer Weise, die von den meisten Metallen abweicht.

Abb. 2 Illustration der stabilsten Cl-Adsorbatstruktur

Neue Perspektiven durch Salzschichtforschung

Durch den Einsatz von Techniken wie dem "adaptive random mutation hill climbing", basierend auf Evolutionary Computing, konnten Wissenschaftler des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Ulm die optimale Anordnung von Chlor- und Magnesiumatomen bei höheren Chlorbedeckungen bestimmen. Diese Untersuchungen offenbaren, dass mit zunehmender Chloratomanzahl die Oberflächenstruktur von Mg sich signifikant verändert, was zur Bildung einer offeneren und komplexeren Struktur führen könnte. Dieses Wissen ist entscheidend für das Verständnis der Stabilität von Magnesiumoberflächen.

Abb. 3 Illustration unterschiedlich stabiler MgCl2 Salzstrukturen

Neue Erkenntnisse zur Salzschichtbildung auf Mg

Die eingehende Untersuchung der Salzschicht durch den Ulmer Professor Dr. Axel Groß und sein Team führte zu der Erkenntnis, dass diese Schicht aus einer Vielzahl verschiedener Magnesiumchlorid-Strukturen besteht. Dieses Ergebnis ist besonders aufschlussreich, da es anzeigt, dass die Magnesiumoberfläche durch das Hinzufügen von Chloridionen eine direkte Veränderung erfährt – ein entscheidender Vorgang in Batterien während der Energieabgabe.

Auswirkungen auf zukünftige Batterietechnologien

Die Entdeckung, dass Chloridionen die Bildung einer Salzschicht auf der Magnesiumoberfläche direkt induzieren, stellt einen innovativen Durchbruch dar. Diese Erkenntnis könnte einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung und Effizienzsteigerung zukünftiger Batterietechnologien leisten. Die von der Universität Ulm vorgestellten Forschungsergebnisse erweitern das Feld der Energiespeichertechnologien und legen den Grundstein für weiterführende Studien, die das Ziel verfolgen, nachhaltigere und höher performante Speicherlösungen zu entwickeln.

Quelle
1. Sarkar K, Hübner D, Stottmeister D, Gross A. Unraveling the Intricacies of Surface Salt Formation on Mg(0001): Implications for Chloride-Ion Batteries. ChemRxiv. 2023; doi:10.26434/chemrxiv-2023-hs8t9
This content is a preprint and has not been peer-reviewed.

Autor
Lasse S. Martinsen 

Die Universität Ulm ebnet den Weg für nachhaltige Elektromobilität mit innovativen Post-Lithium-Batterielösungen

Die Elektrifizierung des Verkehrssektors ist ein wesentlicher Schritt, um die Klimaziele zu erreichen. Momentan dominieren Lithium-Ionen-Batterien die Technologie in Elektrofahrzeugen, da sie eine hohe Energiedichte und Leistungsfähigkeit bieten. Allerdings stehen sie vor Herausforderungen wie einer steigenden Nachfrage, die zu einer zunehmenden Verknappung führt, und Umweltbelastungen, die aus der Gewinnung und Verarbeitung dieser Materialien resultieren. Deshalb wird intensiv an alternativen Batterietechnologien geforscht, die auf weniger kritischen Materialien basieren. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung von Oxidperowskiten als Kathodenmaterial. Oxidperowskite sind Materialien mit einer charakteristischen Kristallstruktur, die sich durch Flexibilität und gute Verarbeitbarkeit auszeichnen. Sie können mit verschiedenen Metallionen dotiert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.

Oxidperowskite als Alternative

Oxidperowskite als Kathodenmaterial für Post-Lithium-Batterien stellen eine aussichtsreiche Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien dar, da ihre Synthese unkompliziert ist. Zudem weisen sie hohe spezifische Energien sowie Energiedichten auf und gelten im Allgemeinen als umweltfreundlicher. Im Rahmen einer rechnergestützten Studie der Universität Ulm, geleitet von M.Sc. Johannes Döhn und Prof. Dr. Axel Groß, wurden 280 verschiedene Oxidperowskite hinsichtlich ihrer Tauglichkeit als Kathodenmaterial für Post-Lithium-Batterien untersucht. Unter Anwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) erfolgte die Berechnung der spezifischen Energie, der Energiedichte sowie weiterer relevanter Eigenschaften dieser Verbindungen. Von den 280 Verbindungen haben 30 den ersten Screening-Prozess bestanden. Weitere 17 wurden verworfen, da u.a. die Perowskitstruktur während der DFT-Geometrieoptimierung kollabierte, so dass nur 13 Verbindungen übrig blieben. Abbildung 1 zeigt ein Kathodenmaterial für Batterien, welches auf einer Perowskit-Struktur basiert, wie sie in der vorliegenden Untersuchung analysiert wurde. Das Material ABO3 repräsentiert dabei den Zustand bei geringer Ladung und besteht aus einer vollständigen Einlagerung von Bestandteilen (hier in blau dargestellt) in das Gitter. Im Gegensatz dazu zeigt BO3 das Material im geladenen Zustand, charakterisiert durch die Entfernung dieser Bestandteile.

Die Untersuchung der verbleibenden 13 Verbindungen basierte auf den Diffusionsbarrieren für die Migration der Shuttle-Ionen, einem entscheidenden Faktor für die Batterieleistung. Zum Beispiel ist die schlechtere Ionen-Migration bei tiefen Temperaturen die Hauptursache für die geringere Reichweite von batteriegetriebenen Fahrzeugen im Winter. Die ausgewählten Materialien und ihre spezifischen Diffusionswege sind in Abbildung 2 dargestellt, welche auch die Diffusionsbarrieren der 13 erfolgreich gescreenten Verbindungen zeigt. Es ist besonders bemerkenswert, dass MgNbO3, ZnVO3 und AlMoO3 niedrige Werte an der oberen Leerstellengrenze aufzeigen, was auf eine hohe Ionenmobilität schließen lässt. 

Die endgültige Auswahl umfasste MgNbO3, ZnVO3 und AlMoO3, wobei MgNbO3 besonders hervorstach.

MgNbO3: Der vielversprechendste Kandidat

MgNbO3 wurde als besonders aussichtsreicher Kandidat für Anwendungen identifiziert. Abbildung 3 liefert eine eingehende Analyse des Diffusionsweges von MgNbO3, wobei der Diffusionspfad abwärts im interkalierten Material verläuft. Dies deutet auf eine energetisch günstige Zwischenkonfiguration statt einer endgültigen Konfiguration hin. Die Untersuchung einzelner Strukturbilder zeigt, dass die charakteristischen eckenverknüpften Sauerstoffoktaeder der Perowskitstruktur durchgehend erhalten bleiben, was die strukturelle Integrität sichert und keinen Kollaps der Struktur nahelegt. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die effektive Energiebarriere für die Festkörperdiffusion potenziell niedriger ist als ursprünglich angenommen und sich die Teilchen somit leichter bewegen können als gedacht.

Alltagsbezug

Die Ergebnisse der Studie, die von der MEZ Starck Stiftung mitfinanziert wurden, haben das Potenzial, die Alltagsmobilität signifikant zu beeinflussen. Durch die Verbesserung der Reichweite und Leistung von Elektrofahrzeugen könnten diese Technologien dazu beitragen, die Betriebskosten zu senken. In der Folge würden Elektrofahrzeuge für eine breitere Käuferschicht erschwinglich, was einen positiven Effekt auf die Reduktion von CO2-Emissionen haben könnte. Auf individueller Ebene bedeutet der Fortschritt, dass Konsumenten Zugang zu Elektrofahrzeugen mit besserer Leistung und größerer Reichweite haben könnten, wodurch Elektrofahrzeuge zu einer praktikableren Alternative für den persönlichen Transport avancieren. Gesellschaftlich gesehen könnte die Einführung dieser neuen Batterietechnologie die Abhängigkeit von Lithium und anderen kritischen Rohstoffen verringern, was wiederum die umweltschädlichen Auswirkungen ihrer Förderung und Verarbeitung reduzieren würde. Kurz gesagt, die Verwendung von Oxidperowskiten in Batterien könnte weitreichende positive Konsequenzen für Einzelpersonen und die Gesellschaft als Ganzes haben, von finanziellen Einsparungen bis hin zum Umweltschutz.

Ein Blick in die Zukunft

Die Forschungsergebnisse der Universität Ulm markieren einen wesentlichen Fortschritt in der Entwicklung von Post-Lithium-Batterien, die nachhaltiger und effizienter sind. Die Studie legt den Grundstein für die Optimierung der Synthese von MgNbO3, einem aussichtsreichen Material für künftige Batterietechnologien. Um die in der Theorie ermittelten Eigenschaften auch in der Praxis bestätigen zu können, bedarf es weiterer Forschungsarbeit. Zukünftige Studien in Zusammenarbeit mit der MEZ Starck Stiftung, könnten sich nicht nur auf die Verbesserung der Herstellung von MgNbO3 konzentrieren, sondern auch auf die Erhöhung der Langlebigkeit von Oxidperowskit-basierten Batterien. Darüber hinaus besteht das Ziel, neue Oxidperowskit-Verbindungen zu entwickeln, die noch höhere spezifische Energien und Energiedichten bieten. 

Das sich rasant entwickelnde Gebiet der Oxidperowskit-Forschung könnte in den kommenden Jahren entscheidend zur Realisierung von Batterien beitragen, die nicht nur leistungsfähiger und langlebiger sind, sondern auch eine geringere Umweltbelastung mit sich bringen. Die Vorteile von Oxidperowskiten, wie hohe spezifische Energie und Energiedichte, prädestinieren sie als Schlüsselmaterial für die nachhaltige Batterietechnologie der Zukunft. Die aktuellen Forschungsergebnisse bilden dabei eine solide Basis für den kommerziellen Einsatz von Oxidperowskit-Batterien, doch die weitere Forschung wird entscheidend sein, um das volle Potenzial dieses Materials auszuschöpfen und in realen Anwendungen zu bestätigen.

Quelle:
Johannes Döhn and Axel Groß, Computational Screening of Oxide Perovskites as Insertion-Type Cathode Material, Adv. Energy Sustainability Res. 2300204 (2023), Open Access, DOI: 10.1002/aesr.202300204, posted on ChemRxiv, DOI: 10.26434/chemrxiv-2023-vj973 [Paper-Link]

Autor:
Lasse S. Martinsen