Revolutionäre Entwicklung im Bereich der Batterietechnologie durch innovative Schwefelkathoden

Innovative Forschung hat uns mit einem Durchbruch bei Schwefelkathoden einer nachhaltigen Batterietechnologie einen Schritt näher gebracht. Lithium-Ionen-Batterien, die in der Elektronik und in Elektrofahrzeugen eine zentrale Rolle spielen, sind traditionell auf knappe Materialien wie Kobalt angewiesen. Schwefel bietet eine umweltfreundlichere Alternative, da es reichlich vorhanden ist und eine beeindruckende theoretische Kapazität von 1675 mAh g^-1 aufweist.

Ein großes Problem bei der Verwendung von Schwefel ist der "Schwefel-Shuttle-Effekt", bei dem die Mobilität des Schwefels zu einer schnellen Degradation der Batterie führt. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt jedoch eine neue Lösung auf: die Verkapselung von Schwefel in einem mikroporösen Polymernetzwerk auf Iminbasis direkt auf dem Stromabnehmer. Dieser Eintopfsyntheseansatz rationalisiert nicht nur die Produktion, sondern erhöht auch die Batterieleistung erheblich.

Dieses innovative Kathodendesign ermöglicht einen selektiven Elektrolyt- und Li-Ionen-Transport, während es den Schwefel robust einschließt und eine hohe Leistung über alle Entladungsraten - von 1360 mAh g^-1 bei 0,1 C bis 807 mAh g^-1 bei 3 C - liefert. Weiterführende Analysen mit DFT-Berechnungen und Operando-Raman-Spektroskopie haben gezeigt, dass die Imin-Gruppen des Polymers die Polysulfid-Bindung verstärken und so die Degradation wirksam verringern.

Dieser Durchbruch ebnet den Weg für schwefelbasierte Kathoden als Alternative zu metallbasierten Kathoden und ist ein wichtiger Schritt hin zu umweltfreundlicheren, leistungsfähigeren Batterietechnologien. Behalten Sie diesen Bereich im Auge - Schwefel könnte die Zukunft der Batterien sein!

One-pot Synthesis of High-capacity Sulfur Cathodes via In-situ Polymerization of a Porous Imine-based Polymer
Guiping Li, Ye Liu, Thorsten Schultz, Moritz Exner, Ruslan Muydinov, Hui Wang, Kerstin Scheurell, Jieyang Huang, Norbert Koch, Paulina Szymoniak, Nicola Pinna, Philipp Adelhlem, Michael Janus Bojdys
Angew. Chem. Int. Ed., e202400382 (2024) ^OPENACCESS
DOI: 10.1002/anie.202400382
 

Elektrisch kontrollierte Dehnung eines gespannten 2D-Halbleiters führt zur Hybridisierung verschiedener Energiezustände und ermöglicht die Emission einzelner Photonen

Halbleitende, zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) haben in den letzten 15 Jahren großes Interesse auf sich gezogen. Ihre hochgradig kontrollierbaren mechanischen und optoelektronischen Eigenschaften und ihre Kombinierbarkeit mit anderen 2D-Materialien zu neuen Strukturen machen TMDs zu vielversprechenden Systemen für viele Technologien wie Elektronik, Energieerzeugung und -speicherung. Ihre reichhaltige Physik umfasst exotische Phänomene wie beispielweise die Bose-Einstein-Kondensation oder die Einzelphotonenemission, von denen einige noch nicht vollständig erklärt sind. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in 2D-Halbleitern wird durch Exzitonen bestimmt, Coulomb-gebundene Elektron-Loch-Paare, die je nach Stärke ihrer Kopplung mit dem Licht als hell oder dunkel eingestuft werden können. Obwohl sie den Grundzustand des Systems darstellen, werden dunkle Exzitonen in WSe₂ erst jetzt systematisch untersucht. Die Gruppe Physik niedrigdimensionaler Systeme von IRIS Adlershof-Mitglied Dr. Sebastian Heeg an der HU Berlin hat in Zusammenarbeit mit der AG Bolotin an der FU Berlin und der AG Libisch an der TU Wien die Dehnungsabhängigkeit von dunklen Exzitonen in einschichtigem WSe₂ untersucht. Dieses System ist besonders relevant, da viele Studien über Einzelphotonenemitter in gespanntem WSe₂ berichtet haben, aber den mikroskopischen Mechanismus hinter der Quantenlichtemission nicht erklären konnten.

Dr. Heeg erklärt, wie dieses Projekt ursprünglich konzipiert wurde: "Unsere Kollegen in der Gruppe von Florian Libisch von der TU Wien haben 2019 eine spannende Arbeit veröffentlicht, in der sie vorhersagten, dass Dehnung in einschichtigen WSe₂-Membranen dunkle Exzitonen in Resonanz mit natürlich vorkommenden Defektenergieniveaus bringen könnte. Sobald die beiden exzitonischen Spezies auf dieselbe Energie abgestimmt sind, würden sie ihre Eigenschaften kombinieren und einen hybridisierten Zustand erzeugen, der die Emission von Einzelphotonen ermöglicht. Als wir von diesem theoretischen Modell lasen, beschlossen wir sofort, es experimentell zu  untersuchen. Dazu entwickelten wir eine elektrostatische Verformungstechnik, die es uns ermöglichte, WSe₂-Membranen bei niedrigen und hohen Temperaturen kontrolliert zu verformen und gleichzeitig ihre elektronische Struktur mit Photolumineszenzspektroskopie zu untersuchen."

Durch die kontrollierte Dehnungen der Membrane konnten die Autoren die verschiedenen exzitonischen Spezies im Material anhand ihrer energetischen Abhängigkeit von der Dehnung charakterisieren. Bei bestimmten Dehnungsniveaus wurden dehnungsunabhängige Defektzustände und dehnungsabhängige dunkle Exzitonen energetisch degeneriert und ihre Photolumineszenzintensität nahm um eine Größenordnung zu. Weitere Beweise für die Hybridisierung des Zustands, wie z. B. vermiedene Energieverschiebungen und die Abstimmbarkeit der zur Auslösung der Hybridisierung erforderlichen Dehnung bei der Temperatur, wurden ebenfalls gezeigt. "Die hohe Abstimmbarkeit des hybridisierten Zustands, die durch unsere Bauelementarchitektur ermöglicht wird, ist wahrscheinlich der Schlüssel für den Betrieb von Einzelquantenemittern in WSe₂", betont Pablo Hernández López, Doktorand in der Gruppe von Dr. Heeg und Mitautor der Arbeit. "Andererseits öffnet die Charakterisierung und Abstimmung der Energiehierarchie der Exzitonen, die in suspendierten Materialien vorhanden sind, mit unserem Ansatz der elektrostatischen Dehnung die Tür für weitere spannende Entdeckungen in der Zukunft".

Strain control of hybridization between dark and localized excitons in a 2D semiconductor
P. Hernández López, S. Heeg, C. Schattauer, S. Kovalchuk, A. Kumar, D.J. Bock, J.N. Kirchhof, B. Hoefer, K. Greben, D. Yagodkin, L. Linhart, F. Libisch, K.I. Bolotin
Nature Communications, 13, 7691 (2022) ^OPENACCESS
DOI: 10.1038/s41467-022-35352-9

Neue Produktionsmethode für flexible, langlebige Anoden mit hoher Kapazität im Verhältnis zum Gewicht

Ein Team von Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin, des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden (IPF) e. V. und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat eine Anode mit überlegener Leistung für tragbare Batterieanwendungen hergestellt, die nahe an die Grenzen der theoretischen Kapazität heranreicht. Einzigartig ist, dass die erhaltenen Anoden flexibel sind, ohne Oberflächenumbau oder Rissbildung, und sie überstehen Hitzeschocks ohne Leistungseinbußen.

Herkömmliche Batterien gehen bei mechanischer und thermischer Belastung kaputt. Sie müssen zwangsläufig in steifen, starren Abschnitten von nominell "faltbarer" Elektronik und fern von Wärmequellen untergebracht werden. Die grundlegende Einschränkung der konventionellen Produktionsmethoden besteht darin, dass die freie Bewegung von Bindemitteln und Additiven, die für die Batteriemontage verwendet werden, mit der Zeit zu einem Verlust des gewünschten elektrochemischen Ungleichgewichts und schließlich zu einer toten Batterie führt. Um diese Einschränkung zu überwinden, hatte das Team von Prof. Michael J. Bojdys, dem Teamleiter an der Humboldt-Universität zu Berlin, die Idee, herkömmliche Bindemittel und Additive durch ein halbleitendes poröses organisches Polymer zu ersetzen, das (i) am Stromkollektor haftet und um das aktive Material herum wächst und (ii) den Transport von Elektrolyt und Ladungsträgern ermöglicht.

IRIS-Mitglied Prof. Bojdys sagt: "Batterien funktionieren, weil wir sorgfältig eine chemische Ordnung aus kleinen Teilchen aufbauen. Das sieht man an den Plus- und Minuspolen der Batterie. Was passiert nun, wenn man ein solches geordnetes System schüttelt oder erhitzt? Nun, man zerstört die chemische Ordnung, und die Batterie ist tot! Die Art und Weise, wie wir herkömmliche Batterien bauen, ist vergleichbar damit, dass man alle seine Einkäufe lose in den Kofferraum seines Autos packt - wenn man nach Hause kommt, ist alles durcheinander. Wenn Sie Ihre Einkäufe geordnet aufbewahren wollen, packen Sie sie natürlich in Tüten! Das ist die Rolle, die unser halbleitendes poröses Polymer in unseren Elektroden spielt. Das Polymer ersetzt alle klassischen Batterieadditive und führt zu einer fantastischen Leistung".

Basierend auf dieser Technologie wollen Dr. Goshtasp Cheraghian und Prof. Dr. Michael J. Bojdys ihre Elektroden und Tintenformulierungen im Rahmen des INAM AdMaLab 2022 Inkubator-Programms kommerzialisieren.

Der Artikel erschien online als:
One‐pot synthesis of high‐capacity silicon anodes via on‐copper growth of a semiconducting, porous polymer
J. Huang, A. Martin, A. Urbanski, R. Kulkarni, P. Amsalem, M. Exner, G. Li, J. Müller, D. Burmeister, N. Koch, T. Brezesinski, N. Pinna, P. Uhlmann, and M.J. Bojdys
Natural Sciences, published online (2022) ^OPENACCESS
DOI: 10.1002/ntls.20210105

 

FAIRe Forschungsdaten für die Materialwissenschaften

Das FAIRmat-Konsortium unter Leitung der Humboldt-Universität beschreibt sein Konzept für zugängliche Forschungsdaten im renommierten Fachjournal Nature

Die Wirkweise des FAIRmat-Konsortiums (Copyright: FAIRmat)

Der Lebensstil unserer Gesellschaft wird in hohem Maße von den Errungenschaften der Physik der kondensierten Materie, der Chemie und den Materialwissenschaften bestimmt. Touchscreens, Batterien, Elektronik oder Implantate: Viele neue Produkte in den Bereichen Energie, Umwelt, Gesundheit, Mobilität und Informationstechnik beruhen weitgehend auf verbesserten oder sogar neuartigen Materialien. Die enormen Mengen an Daten, die täglich in diesen Forschungsfeldern produziert werden, stellen einen neuen Rohstoff dar – und sind damit Gold wert. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass diese Daten umfassend charakterisiert werden und der Wissenschaft zur Verfügung stehen.

FAIRe Daten für eine gemeinsame Nutzung

Das Konsortium FAIRmat ("FAIR Data Infrastructure for Condensed-Matter Physics and the Chemical Physics of Solids") unter der Leitung von IRIS Adlershof-Mitglied Prof. Claudia Draxl hat sich zum Ziel gesetzt, diesen Rohstoff zu veredeln, also Daten in Wissen und Wert zu verwandeln. Ein Grundbaustein dafür ist eine Dateninfrastruktur, die es ermöglicht, Daten „FAIR“ zu machen, also auffindbar (Findable), zugänglich (Accessible), interoperabel (Interoperable) und wiederverwendbar (Re-purposable). „Mit einer „FAIRen“ Infrastruktur können Daten problemlos gemeinsam genutzt und mit Methoden der Datenanalyse und mit Künstlicher Intelligenz erforscht werden. Dieser Zugang wird die Art und Weise, wie Wissenschaft heute betrieben wird, deutlich verändern“, so Claudia Draxl.

Im Fachjournal Nature beschreiben die Wissenschaftler:innen nun, wie die erfolgreiche Umsetzung einer solchen Dateninfrastruktur für den Bereich der Materialwissenschaften aussehen kann.
Der Beitrag erscheint heute im Format „Perspectives“, in dem das Magazin zukunftsweisende Beiträge veröffentlicht, die zu Diskussionen und neuen wissenschaftlichen Ansätzen anregen.

Das Konsortium FAIRmat ist Teil der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI). Das Projekt basiert auf den umfassenden Erfahrungen mit der weltweit größten Dateninfrastruktur der computergeschützten Materialwissenschaften, dem Novel Materials Discovery (NOMAD) Laboratory, welche von Claudia Draxl mitaufgebaut wurde und seit 2014 online ist. Die größten Herausforderungen für FAIRmat liegen in der Integration der Vielzahl von experimentellen Charakterisierungstechniken und Methoden der Materialsynthese.

FAIR data enabling new horizons for materials research
M. Scheffler, M. Aeschlimann, M. Albrecht, T. Bereau, H.-J. Bungartz, C. Felser, M. Greiner, A. Groß, C.T. Koch, K. Kremer, W.E. Nagel, M. Scheidgen, C. Wöll, and C. Draxl
Nature 604 (2022) 635
DOI: 10.1038/s41586-022-04501-x

Kontak:
Prof. Dr. Claudia Draxl
Institut für Physik / IRIS Adlershof
Humboldt-Universität zu Berlin
Tel.: 030 2093-66363
E-Mail: claudia.draxlphysik.hu-berlin.de
www.fairmat-nfdi.eu

 

Fig 1: Visualisierung der gravitativen Bremsstrahlung aus der Streuung zweier schwarzer Löcher (BSc-Arbeit O. Babayemi)

Wenn zwei massive Objekte (Schwarze Löcher, Neutronensterne oder Sterne) aneinander vorbeifliegen, lenken die gravitativen Wechsel­wirkungen nicht nur ihre Bahnen ab, sondern sie erzeugen auch Gravi­tations­strahlung oder gravitative Brems­strahlung, in Analogie zum Elektro­magnetismus. Die resultierende Gravi­tations­wellen eines solchen Streu­er­eignis­ses wurden in führender Ordnung in der Newton’schen Gravi­tations­konstante bereits in den 1970er Jahren mit traditio­nellen Methoden der All­gemeinen Rela­tivi­täts­theorie in einer umfang­reichen Serie von vier Arbeiten berechnet. Brems­strahlung­sereignisse sind für die aktuelle Generation von Gravi­tations­wellen­detek­toren noch uner­reichbar, da das Signal nicht periodisch und typischer­weise weniger intensiv ist. Dennoch sind sie interessante Ziele für zukünftige Suchen mit zukünftigen erd- und welt­raum­basierten Obser­vatorien.

In der AG Quanten­feld­theorie um IRIS Adlerhof-Mitglied Prof. Plefka wurde nun ein neuer Ansatz zur Bestimmung dieser Wellen­formen (Fig 1) und den Ab­lenkungen mit Methoden der pertur­bativen Quanten­feld­theorie entwickelt, der sich als deutlich effizienter als die traditio­nellen Zugänge erweist.  Er basiert auf einer hybriden Quanten­feld­theorie, in der die schwarzen Löcher (oder Sterne) als Punkt­teilchen idealisiert werden und mit der Gravi­tations­feld wechsel­wirken. Die Berechnung fußt dann auf einer systema­tischen diagramma­tischen Ent­wicklung mittels Feynman­graphen. D.h. die Methoden die ursprünglich für die Streuung von Elementar­teilchen entwickelt wurden können nun auch in astro­physikalischen Szenarien zum Einsatz kommen.

Mit dieser innovativen Methode - der „Worldline Quantum Field Theory“ - konnte kürzlich in einer Serie von drei Publikationen in Physical Review Letters unser Verständnis dieses grund­legenden physikalischen Prozesses deutlich erweitert werden. In [1] wurden die Ergebnisse aus den 1970er Jahre in weitaus effizienterer Weise reproduziert, hierzu war lediglich die Berechnung von drei Feynman­graphen (Fig 2) vonnöten. In [2] konnte die Wellenform für den Fall rotierender schwarzer Löcher und Neutronen­sterne erweitert werden. In einer kürzlichen Publikation [3] wurden die Streuwinkel und Änderungen in den Impulsen und Rotationen durch den Streuprozess in nächst-nächst-führender Ordnung der Gravitations­konstante erstmalig bestimmt. Hierbei kamen elaborierte Techniken zur Berechnung von Feynman­integralen zum Einsatz. Die Rotations­freiheits­grade der schwarzen Löcher können in dieser neuen Formulierung interessanter­weise mir einer super­symmetrischen Welt­linien­theorie beschrieben werden [4], die sonst in Erweiterungen des Standard­modells der Teilchen­physik zum Zuge kommt.

Diese Forschungen finden im Kontext des DFG Graduierten­kollegs 2575 „Rethinking Quantum Field Theory“ statt, das in Zusammenarbeit mit dem MPI für Gravitations­physik und DESY an Innovationen in der Quanten­feld­theorie forscht.

[1]	Classical Gravitational Bremsstrahlung from a Worldline Quantum Field Theory G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 201103 arxiv: 2101.12688  OPENACCESS		[3]	Conservative and radiative dynamics of spinning bodies at third post-Minkowskian order using worldline quantum field theory G. U. Jakobsen and G. Mogull erscheint in PRL arxiv: 2201.07778  OPENACCESS
[2]	Gravitational Bremsstrahlung and Hidden Supersymmetry of Spinning Bodies G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 011101 arxiv: 2106.10256  OPENACCESS		[4]	SUSY in the sky with gravitons G. U. Jakobsen, G. Mogull, J. Plefka, and J. Steinhoff JHEP 2201 (2022) 027 arxiv: 2109.04465  OPENACCESS

Weitere Informationen:
Videos des Streuprozesses auf Youtube (aus der BSc Arbeit von  O. Babayemi)