Kohlenstoffbasierte Materialien
Dank seiner hohen Elektronenleitfähigkeit , niedrigen Dichte und chemischen Beständigkeit wird Kohlenstoff häufig als Additiv für Elektroden eingesetzt, um deren Leitfähigkeit zu verbessern. Das 3-dimensionale Netzwerk der Kohlenstoffpartikel innerhalb der Elektrode verbessert jedoch nicht nur die Elektronenleitung, sondern hat auch Auswirkungen auf die Ionenleitung in der Elektrolytphase indem es die Porosität und Tortuosität der Elektrode beeinflusst. Daher ist es selbst bei einer solche relativ einfachen Anwendung wichtig, das komplexe Zusammenspiel der als Additive zugesetzten Kohlenstoffe, den Verarbeitungsparametern und den daraus resultierenden Elektrodenmorphologien zu verstehen.
Die Vielseitigkeit von Kohlenstoff geht jedoch weit über die einfache Verwendung als Elektrodenadditiv hinaus. In Lithium-Ionen-Batterien dient Graphit als Aktivmaterial auf der Anode. Die Einlagerung von Lithium in Graphit erfolgt dabei über eine Reihe von Phasenänderungen und wird wegen der begrenzten Stabilität des Elektrolyten von komplexen Oberflächenreaktionen begleitet. Diese Reaktionen führen zur Bildung einer Schutzschicht auf der Graphitoberfläche, der sogenannten Solid-Electrolyte-Interphase (SEI). Diese Schicht ist für den Betrieb und die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie von essentieller Bedeutung und wird deshalb eingehend am IAM-ESS untersucht.
Eine weitere Anwendung von Kohlenstoff, die am IAM-ESS untersucht wird, sind Elektroden für Lithium-Luft- und Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Bei beiden Batterietypen spielen die Oberflächen der Kohlenstoffelektrode eine entscheidende Rolle für die elektrochemischen Prozesse.
Die strukturelle Vielfalt der Kohlenstoffmaterialien in Kombination mit ihrer reichen Oberflächenchemie bieten dabei diverse Möglichkeiten zur Feinabstimmung der Materialeigenschaften, stellen jedoch auch eine Herausforderung für die Analyse und Aufklärung der elektrochemischen Oberflächenprozesse an den Kohlenstoffelektroden dar. Ein wichtiger Aspekt unserer Forschungsarbeiten umfasst daher die Entwicklung geeigneter Charakterisierungsmethoden, die als in-situ-Analysetechniken eingesetzt werden können, um einen Einblick in die komplexen elektrochemischen Reaktionen an den Elektrodenoberflächen zu erhalten.
