Sauerstoffaustausch auf modifizierten Oxidoberflächen

Auf der Suche nach nachhaltigen und erneuerbaren Energielösungen spielt die Materialwissenschaft eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von neuen Technologien und Geräten. Zu den wichtigsten Technologien gehören dabei Batterien und Brennstoffzellen. Beide beruhen auf elektrochemischen Reaktionen an gemischt ionisch und elektronisch leitenden Materialien. Eine sehr wichtige Reaktion für Brennstoffzellen, aber auch für Batterien, ist die Sauerstoffaustauschreaktion. An der Luftelektrode einer Festoxidbrennstoffzelle wird Sauerstoff aus der Atmosphäre bei hohen Temperaturen in ein gemischt leitendes Oxid eingebaut. Im Gegensatz dazu ist bei Lithium-Ionen-Batterien der Sauerstoffverlust aus einem gemischten leitenden Oxid bei Raumtemperatur eine Hauptursache für Performanceverlust. Beide Prozesse wurden zwar bereits ausgiebig untersucht, allerdings weitgehend unabhängig voneinander und von oftmals isolierten Forschungscommunities. Auf unserer früheren Forschung aufbauend schlagen wir vor, dass Konzepte und Strategien, die in der Festoxidbrennstoffzellen-Welt entwickelt wurden, auch auf die Lithium-Ionen-Batterie-Welt übertragen werden können und einen völlig neuen Ansatz zum Verständnis und zur Kontrolle des Sauerstoffaustauschs bieten. In diesem Projekt wollen wir diese Hypothese am Beispiel von Oberflächenmodifikationen testen. Oberflächenmodifikationen, bei denen winzige Mengen verschiedener Materialien zugesetzt werden, um die Oberflächeneigenschaften zu verändern, werden sowohl bei Festoxidbrennstoffzellen als auch bei Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Dabei ist es wichtig zu betonen, dass die Ziele dieser Modifikationsstrategien für die beiden Technologien grundlegend unterschiedlich sind. Bei SOFCs zielen Modifikationen darauf ab, den Sauerstoffeinbau zu verbessern, während Beschichtungen bei Lithium-Ionen-Batterien die Sauerstoffabgabe unterdrücken sollen. Jüngste Fortschritte haben nun Aufschluss darüber gegeben, wie genau Modifikationen den Sauerstoffaustausch in Festoxidbrennstoffzellen beeinflussen und wie man Oberflächen systematisch designen, verbessern, und auch verschlechtern kann. In diesem Projekt wollen wir dieses Verständnis weiter vertiefen und die Erkenntnisse auf die Welt der Lithium-Ionen-Batterien übertragen. Wir wollen untersuchen, ob eine ähnliche Systematik auch für die Sauerstoffabgabe aus modifizierten Lithium-Ionen- Batterie-Materialien bei niedrigeren Temperaturen gilt. Wenn dies gelingt, könnten wir das Wissen aus der Festoxidbrennstoffzellen-Welt nutzen, um Beschichtungen auf Lithium-Ionen- Batterien zu verbessern und die Stabilität künftiger Batterien zu erhöhen. Über diese Ziele hinaus soll unsere Forschung Brücken zwischen den Forschungsbereichen Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien schlagen und den Austausch neuer Ideen und Konzepte erleichtern. Durch die Verbindung beider Bereiche wollen wir neue Innovationen ermöglichen und unser Verständnis für beide Energietechnologien verbessern.