Forschungsschwerpunkte – Dr. Volker Presser

Forschungsschwerpunkte – Dr. Volker Presser
Die Arbeitsgruppe Presser befasst sich mit Energiematerialien im Spannungsfeld zwischen Synthese,
Charakterisierung und Anwendung. Im Zentrum stehen hierbei Kohlenstoff- und Karbidnanomaterialien – vor allem solche, die eine hohe Porosität von bis zu 3200 m2/g aufweisen oder in besonders
kleinen Partikelgrößen von unter 10 nm vorkommen. Solche Materialien, wie karbidabgeleitete Kohlenstoffe oder Kohlenstoffnanozwiebeln, werden den spezifischen Bedürfnissen verschiedener Anwendungen angepasst, sodass Bauteile mit optimierter Leistung erhalten werden.
1. Elektrische und elektrochemische Energiespeicher
Energiespeicher nehmen in der Energiewende eine zentrale Bedeutung ein, da nur mithilfe von hocheffizienten, kostengünstigen und in großen Mengen verfügbaren Systemlösungen die großskalige
Integration von erneuerbaren Energien bei gleichzeitiger Gewährleistung der Netzstabilität nachhaltig
und in Bezug auf soziale Akzeptanz möglich sein wird. Die Arbeitsgruppe Presser erforscht hierzu
Möglichkeiten, elektrische und elektrochemische Energiespeicher zu verbessern, sprich, bessere und
leistungsfähigere elektrische Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren und Batterien zu
entwickeln. Das Ziel ist die synergetische Verbindung von elektrostatischer und elektrochemischer
Energiespeicherung in Form von Hybridkondensatoren, die Energie durch elektrische Doppelschichtbildung und Redoxreaktionen reversibel, hocheffizient und über viele Lade- und Entladezyklen stabil
speichern. Dies wird durch die Kombination hochporöser Trägermaterialien mit elektrochemisch aktiven Materialien, wie Metalloxidnanopartikel oder Oberflächengruppen, ermöglicht, die in optimierten
Elektrolyten eingesetzt werden. Eine besondere Herausforderung ist das Elektrodendesign und die
Speicherzellenkonzeption, da auf Materialmenge und Materialart bezogen asymmetrische Systeme
wesentlich höhere Energiemengen (Wh/kg) bei verbesserter Leistung (W/kg) speichern können.
Letztlich werden Materialien und Technologien adaptiert, um kostengünstige, großskalige Systeme zu
ermöglichen.
2. Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien
Nanoporöse Materialien stehen im Zentrum einer Reihe wichtiger Anwendungen, wie Katalyse, selektive Sorption oder die Speicherung von Gas und Ionen. Eine besonders hohe spezifische Oberfläche
kann durch die Variation der Syntheseparameter von Aktivkohle oder karbidabgeleiteten Kohlenstoffen erfolgen. Insbesondere die letztere Gruppe von Kohlenstoffmaterialien ermöglicht, teilweise mit
Subnanometergenauigkeit, die Poren und Porengrößenverteilung exakt einzustellen. Dies erlaubt es,
beispielsweise durch Anpassung der Poren an die Ionengröße in Elektrolyten, wie ionischen Flüssig-
Forschungsschwerpunkte – Heinz Maier-Leibnitz-Preis 2013
Dr. Volker Presser
Stand Mai 2013
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keiten, besonders hohe Energiespeicherkapazitäten (Wh/kg) von elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu erzielen. Ebenso lassen sich besonders hohe Speicherkapazitäten für Gase, wie Wasserstoff, durch gezieltes Eingreifen in die Syntheseparameter erreichen. Die Porosität lässt sich zudem
bei ultrafeinen Fasern (<< 1 µm) durch die Poren zwischen den Fasern und innerhalb einzelner Fasern hierarchisch so gestalten, dass eine verbesserte Leistung (W/kg) im Vergleich zu Pulverelektroden erreicht werden kann. Gleiches gilt für hierarchisch-poröse karbidabgeleitete Kohlenstoffe, die
auch in Form von Dünnfilmen hergestellt werden können.
3. Kohlenstoff- und Karbidnanomaterialien
Nanoskalige Kohlenstoff- und Karbidmaterialien können über physikalische und chemische Verfahren
synthetisiert werden. Aus Detonationsnanodiamanten, einem kostenattraktiven Ausgangsmaterial,
können mittels thermischer Vakuumbehandlung Kohlenstoffnanozwiebeln erzeugt werden, die mit
einem mittleren Partikeldurchmesser von circa 5 nm eine für nicht poröse Werkstoffe besonders hohe
spezifische Oberfläche von bis zu 400 m2/g aufweisen. Die hohe elektrische Leitfähigkeit macht dieses Material zu einer Alternative zu Leitruß und zu einem Elektrodenmaterial mit besonders hoher
Leistungsdichte (W/kg) im Einsatz für elektrische Doppelschichtkondensatoren. Neben Kohlenstoffen
können auch Karbide nanoskalig synthetisiert werden. So kann beispielsweise durch chemische Behandlung von ternären Karbiden eine Exfoliation erreicht werden, sodass dem Graphen ähnliche,
jedoch binär karbidische 2-D-Kristalle erhalten werden, die sich durch interessante elektrische und
chemische Eigenschaften auszeichnen. Diese sogenannten MXene liegen als Plättchen mit Schichtdicken von drei bis sieben Atomlagen vor und variieren, je nach Synthesebedingung, von einem Zustand als Halbleiter bis hin zu einem elektrischen Leiter.
4. Kapazitive Deionisierung
Elektrosorption kann als hocheffiziente Methode zur selektiven Ionenimmobilisierung genutzt werden,
mit der Ionen einem Elektrolyt entzogen werden können. In einer Flusszelle lässt sich dies dazu nutzen, um aus Brackwasser (allgemein gesprochen: Salzwasser) reines Trinkwasser zu gewinnen. Dieses Verfahren ist darüber hinaus auch auf andere chemische Systeme erweiterbar. Hierzu kommen
Kohlenstoffmaterialien mit hoher spezifischer Oberfläche und großem Porenvolumen zum Einsatz,
um eine hohe Kapazität bezogen auf die maximal erreichbare Ionensorption zu gewährleisten. Sowohl Filmelektroden als auch Faserelektroden oder partikuläre Systeme finden Einsatz und werden
auf die grundsätzlichen Mechanismen der Deionisierung untersucht. Besondere Herausforderungen
sind die Erhöhung der Langlebigkeit und Reduktion von Degradationsmechanismen, die einer hohen
Leistungsstabilität entgegenstehen.
5. In-situ-Messmethodik
Anstelle indirekter Beweisführung ist ein Ziel der Arbeitsgruppe Presser, Vorgänge möglichst in situ
zu beobachten, um direkt Rückschlüsse auf die Korrelation zwischen Eigenschaft und Struktur ziehen
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zu können. Hierzu werden verschiedene Methoden eingesetzt, wie die elektrochemische Quarzkristall-Mikrowaage, elektrochemische Dilatometrie oder Beugungsmethoden und Schwingungsspektroskopie. Bezüglich letzter beider Methoden kommen speziell entwickelte Messzellen zum Einsatz, die
es ermöglichen, in Echtzeit Lade- und Entladeprozesse in elektrochemischen Systemen zu verfolgen
und in Abhängigkeit der Materialparameter Schlussfolgerungen auf Designparameter zu ziehen. Die
elektrochemische Dilatometrie nimmt einen besonderen Stellenwert ein, da es hiermit nicht nur möglich ist, Ionentransport mit einer von der Messung elektrischer Signale abgekoppelten Methodik zu
verfolgen, sondern auch mechanische Limitationen für Filmelektroden zu eruieren. Insbesondere
durch die Erhöhung der Zellpotenziale von elektrischen Doppelschichtkondensatoren ist zu beachten,
dass die Expansion des Elektrodenmaterials nicht ignoriert werden darf. Die elektrische QuarzkristallMikrowaage ist ebenfalls ein Werkzeug, mit dem die elektrochemischen Informationen mit einer weiteren Informationsquelle in Bezug auf Spannungen in der Elektrode und dem Transport von Ionen
ergänzt werden kann.
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