Forschung
Energiespeicherung und -wandlung gewinnen im Zuge der Energiewende immer mehr an Bedeutung. Zum einen tragen Energiespeichermaterialien zur Dezentralisierung des Stromnetzes und damit autarken Haushalten, sowie zu leistungsfähigen Speichern für mobile Anwendungen bei. Zum anderen können durch Energiewandlung neue Wertschöpfungsketten abseits der petrochemischen Industrie entstehen. Beispielsweise können Überschüsse aus erneuerbaren Energien genutzt werden, um das klimaschädliche Treibhausgas CO2 als nachhaltige Kohlenstoffquelle zu nutzen und elektrochemisch Kraftstoffe oder andere Produkte der chemischen Industrie herzustellen. Ohne verbesserte Energiespeicherung und -wandlung wird das ehrgeizige und im Weltklimaprotokoll ratifizierte Ziel einer Reduzierung der Erderwärmung auf unter 2°C im Vergleich zur vorindustriellen Zeit nicht gelingen.
Zur Speicherung und Wandlung von Energie werden verschiedene Ansätze verfolgt. Mit unserer Forschung konzentrieren wir uns im Bereich der Batterien vor allem auf Metall-Luft-Systeme und Festkörperbatterien. Im Bereich der elektrochemischen CO2 Umwandlung und der Elektrokatalyse liegt der Fokus auf der Niedertemperatur-Elektrolyse.
Batterien
Um Metall-Luft-Systeme und Festkörperbatterien mit hohen Energiedichten, längeren Laufzeiten und häufigen Ladezyklen bei gleichzeitiger thermischer Stabilität und hoher Sicherheit zu fertigen, ist eine genaue Kenntnis der Mechanismen und Prozesse in Energiematerialien während der elektrochemischen Beanspruchung erforderlich. Degradationsprozesse, Grenzflächeneigenschaften und Interkalations/Deinterkalationsprozesse laufen auf molekularer Ebene ab, weshalb wir als hochauflösende Mikroskopietechnik fortschrittliche Modi der Rastersondenmikroskopie als unsere wichtigste Methode verwenden. Vorteile der elektrochemischen Rasterkraftmikroskopie sind insbesondere die Möglichkeit, die Messungen operando/in-situ zu betreiben und die Aufnahme verschiedener Probeneigenschaften wie der Morphologie, der Adhäsion, dem E-Modul, oder der elektrischen Leitfähigkeit simultan und mit hoher Ortsauflösung unter kontrollierten elektrochemischen Bedingungen zu bestimmen. Um auch luft- und feuchtigkeitsempfindliche Materialien charakterisieren zu können, haben wir unseren Messaufbau auch in einen Handschuhkasten implementiert.
Wir sind überzeugt, dass die Aufklärung von Mechanismen und Prozessen mechanischer und elektrochemischer Natur an Grenzflächen von Energiespeichermaterialien zur Verbesserung zukünftiger Generationen von Batterien wesentlich beitragen wird.
Elektrokatalyse
In der Niedertemperatur-Elektrolyse kann das eigentlich reaktionsträge CO2 elektrokatalytisch umgewandelt werden. Damit die elektrochemische CO2 Reduktion selektiv und effizient abläuft, ist das Verständnis der Elektrokatalyse als Schlüsseltechnologie essentiell. Beispielsweise wird die Aktivität eines Katalysators durch nanoskalige Grenzflächenphänomene wie Adsorption/Desorption, Elektronentransfer, Solvatisierung/Desolvatisierung, und elektrostatische Wechselwirkungen beeinflusst. Diese Phänomene hängen unter anderem von der lokalen Struktur des Katalysators ab. Mittels operando/in-situ elektrochemischer Rastersondenmikroskopien kann aufgrund der hohen Ortsauflösung der Einfluss der lokalen Gegebenheiten des Katalysators wie Oberflächenausrichtung, Abstand zwischen benachbarten Clustern, Stufenkanten und Defekten auf die Aktivität herausgearbeitet werden. Gleichzeitig ist nicht die gesamte Katalysatoroberfläche gleich reaktiv, weshalb der Identifikation aktiver Stellen von Katalysatoren eine besondere Bedeutung zukommt.
Wir sind überzeugt, mit unserer Methodik wesentlich zum Verständnis von elektrokatalytischen Prozessen und somit zur Verbesserung zukünftiger Niedertemperatur-Elektrolyseure beizutragen.