Schwerpunktprogramm (SPP) 2248: Polymer-basierte Batterien; Priority Program (SPP) 2248: Polymer-based batteries, Redox-aktive kovalente organische Gerüstverbindungen für die Einlagerung mehrwertiger Metallionen (RACOF-MMIS)

Description: Aufgrund der natürlichen Häufigkeit und reversiblen Multielektronen-Redoxchemie haben Batterien auf der Basis mehrwertiger Metallionen (zweiwertig: Mg2+, Zn2+, Ca2+, etc. dreiwertig: Al3+, etc.) als vielversprechende Alternativen für Post-Li-Ionen-Batterietechnologien an Bedeutung gewonnen. Die große Herausforderung liegt jedoch in der begrenzten Verfügbarkeit von leistungsfähigen Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität, guter Reversibilität und langfristiger Zyklisierbarkeit. In diesem Zusammenhang sind redox-aktive kovalente organische Gerüstverbindungen (engl.: covalent organic frameworks = COFs) als Wirtmaterialien für multivalente Metallionen von großem Interesse, da COFs hohe spezifische Oberflächen, einstellbare Porenstrukturen und aktive Zentren sowie eine einzigartige Koordinationschemie mit multivalenten Metallionen aufweisen. Dieses Projekt plant die Entwicklung und Synthese neuer redox-aktiver COFs, die Erforschung ihrer Anwendungen als Kathodenmaterialien für die Einlagerung multivalenter Metallionen (Zn2+, Mg2+ und Al3+ in der ersten Phase des SPP-Projekts) und den Versuch, den Mechanismus der Einlagerung multivalenter Metallionen mit Hilfe der in-situ/ex-situ Festkörper-NMR-Spektroskopie aufzuklären. Ex-situ Festkörper-NMR-Experimente werden Aufschluss über die Einlagerung der Kationen in die Elektrodenmaterialien, bevorzugte Wechselwirkungsplätze sowie den Koordinationszustand NMR-aktiver Kationen wie 27Al liefern. In-situ-Experimente werden dann erlauben, die Wechselwirkung zwischen Elektrodenmaterialien und Kationen unter Spannung zu verfolgen. Die Materialien werden auch nach dem Durchlaufen mehrerer Lade-/Entladezyklen mittels Festkörper-NMR untersucht, um Alterungs- und Zersetzungsprozesse auf molekularer Ebene zu charakterisieren. Der Erfolg dieses Projekts wird aufschlussreiches Erkenntnisse über das Design und die Synthese von leistungsstarken COFs mit einer Vielzahl redox-aktiver Zentren (wie Imide, Carbonyle, Hexaazatrinaphthaline, Sulfide, Polysulfide), chemisch stabilen Verknüpfungsmotiven (wie sp2-Kohlenstoffe (C=C), Imide (C(=O)-N) und Triazine (cyclisch -C=N)) und genau definierter Porenstruktur liefern. Durch die elektrochemischen Untersuchungen und mechanistische Studien wird das Projekt ein signifikantes Verständnis zur Chemie der Einlagerung multivalenter Metallionen liefern und Struktur-Funktionsbeziehungen herstellen, welche die zukünftige Entwicklung neuartiger Hochleistungs-COF-Elektroden für Batterien auf der Basis von multivalenten Metallionen leiten wird.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Sulfid ? Triazin ? Batterie ? Chemie ? Spektralanalyse ? Metall ? Studie ? Lagerung ? ex-situ ? Chemische Wertigkeit ? Elektrode ? Ionen ? Kationen ? RACOF-MMIS ? Synthese ? Wechselwirkung ?

Region: Saxony

Bounding boxes: 13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
• Technische Universität Dresden, Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie, Professur für Anorganische Chemie 1 (Mitwirkung)
• Technische Universität Dresden, Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie, Professur für Molekulare Funktionsmaterialien (Mitwirkung)
• Technische Universität Dresden, Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie, Professur für Bioanalytische Chemie (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2020-10-01 - 2023-09-30

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Redox-active covalent organic frameworks for multivalent metal ion storage (RACOF-MMIS)
  Description: Owing to the natural abundance and reversible multielectron redox chemistries, multivalent metal-ion batteries (divalent: Mg2+, Zn2+, Ca2+, etc. trivalent: Al3+, etc.) have gained significant attention as the promising alternatives for post-Li-ion battery technologies. However, the big challenge lies in the limited availability of high-performance cathode materials with high capacity, good reversibility and long-term cyclability. In this regard, redox-active covalent organic frameworks (COFs) are of immense interest as host materials for multivalent metal ions, as COFs show large specific surface areas, tailorable pore structure and active sites, and unique coordination chemistry with multivalent metal ions. This project plans to design and synthesize new redox-active COFs, explore their applications as cathode materials for multivalent metal-ion storage (Zn2+, Mg2+, and Al3+ in the first stage of SPP project), and try to uncover the multivalent metal-ion storage mechanism with the assistance of in-situ/ex-situ solid-state nuclear magnetic resonance characterization technology. Ex-situ solid-state NMR experiments on electrolyte-loaded samples will deliver information about ion intercalation in the electrode materials. Interaction sites and the coordination state of NMR-active ions like 27Al will be determined. In-situ NMR experiments will provide information on electrode material - cation interactions under applied voltage. The materials will also be studied by solid-state NMR after cycling in order to evaluate possible aging and degradation processes at the molecular level. The success of this project will provide insightful knowledge about the design and synthesis of favorable COFs with rich redox active centers (like imide, carbonyl, hexaazatrinaphthalene, sulfidic, polysulfide), chemically stable linkages (such as sp2-carbon (C=C), imide (C(=O)-N) and triazine (cyclic -C=N)), and precisely defined porous structures. Through the electrochemical research and mechanistic studies, the project will offer significant understanding underlying the multivalent metal-ion storage chemistries and establish the structure-performance relationship, which will guide the future development of novel high-performance COF electrodes for multivalent metal-ion batteries. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1088415

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/441208651 (Webseite)

Status

Aktiv

Quality score

• Overall: 0.44
• Findability: 0.43

  • Title: 0.00
  • Description: 0.00
  • Identifier: false
  • Keywords: 0.56
  • Spatial: RegionIdentified (1.00)
  • Temporal: true
• Accessibility: 0.67

  • Landing page: Specific (1.00)
  • Direct access: false
  • Publicly accessible: true
• Interoperability: 0.00

  • Open file format: false
  • Media type: false
  • Machine-readable metadata: false
  • Machine-readable data: false
• Reusability: 0.67

  • License: ClearlySpecifiedAndFree (1.00)
  • Contact info: false
  • Publisher info: true

Accessed 1 times.