Heutige Batterietechnologien basieren hauptsächlich auf Metallen wie Lithium, Blei, Kobalt oder Nickel. Deren begrenztes natürliches Vorkommen sowie Toxizität und die daraus resultierenden Entsorgungsprobleme schränken jedoch die langfristige Verwendung solcher Metalle ein. Als Alternative haben sich im Rahmen jüngster Forschungen polymere Verbindungen, also Kunststoffe, herausgestellt. In diesem Zusammenhang wurden insbesondere Polymere, die stabile organische Radikale enthalten, intensiv untersucht und zeigten vielversprechende Ladungsspeichereigenschaften, insbesondere eine überlegene Redoxkinetik. Solche Materialien leiden jedoch unter unzureichender elektrischer Leitfähigkeit, die die anwendbaren Lade- und Entladeraten begrenzt, wodurch die vorteilhaften Elektronentransfereigenschaften aufgehoben werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung dieses Problems ist der Einbau von leitfähigen, d.h. konjugierten Polymeren. Diese Materialien bieten mehrere vorteilhafte Eigenschaften, die für eine organische Batterie ausgenutzt werden können: (i) Als Halbleiter zeigen sie elektrische Leitfähigkeit; (ii) sie können durch Elektropolymerisation hergestellt werden und bieten so eine effiziente Möglichkeit, direkt auf Elektrodenoberflächen abgeschieden zu werden; (iii) sie bieten intrinsische Ladungsspeicherfähigkeit. Allerdings zeigen Systeme, die auf der eigenen Speicherfähigkeit von konjugierten Polymeren basieren häufig driftende Lade- und Entladespannung, was deren Anwendungspotenzial erheblich einschränkt. In Kombination mit stabilen Redoxeinheiten, die die Ladungsspeicherung übernehmen, wie organische Radikale, können aber die elektrische Leitfähigkeit sowie die elektrochemische Verarbeitbarkeit zu vielversprechenden Batterieaktivmaterialien führen. Trotzdem wurden bisher nur wenige solche Beispiele in der Literatur vorgestellt. Daher soll im Rahmen dieses Projekts die Palette organischer Batteriematerialien durch die Kombination stabiler organischer Radikale mit elektropolymerisierbaren Einheiten erweitert werden, um Systeme herzustellen, die sowohl verbesserte elektrochemische Stabilität als auch elektrische Leitfähigkeit bieten.
Die synthetische Materialchemie steht vor enormen Herausforderungen: Die Energiewende erfordert völlig neue Materialien mit herausragenden Eigenschaften - effektive Fotokatalysatoren für die solargetriebene Wasserstoffentwicklung, effiziente Energiespeichermaterialien, Materialien für Energiekonversion und vieles mehr. Auf der anderen Seite besteht die zwingende Notwendigkeit des ressourcenschonenden Einsatzes von Rohstoffen und Energie durch effizientere Herstellung bekannter und bereits verwendeter Materialien. Hier müssen nachhaltige chemische Prozesse erdacht und entwickelt werden, die bei niedrigerer Temperatur ablaufen, höhere Reinheit und Ausbeute ermöglichen und weniger Abfall produzieren.
Eine Erfolg versprechende Option hierfür ist die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten (engl. Ionic Liquids, ILs) - organische Salze, die bereits unterhalb 100 Grad Celsius, oftmals sogar bei Raumtemperatur, als hoch polare Flüssigkeiten vorliegen. Die einzigartigen Eigenschaften dieser neuartigen 'Designer-Lösungsmittel' lassen sich durch vielfältige Variation ihrer chemischen Zusammensetzung an das jeweilige Synthesesystem adaptieren. Vielversprechende erste Forschungsergebnisse zeigen, dass unter Nutzung von ILs anorganische Materialien (Metalle, Legierungen, Halbleiter, Hartstoffe, Funktionswerkstoffe etc.) unter Umgebungsbedingungen hergestellt werden können. Dadurch lassen sich Energieeinsatz und technischer Aufwand im Vergleich zu den bisher notwendigen Hochtemperaturprozessen, wie Schmelzreaktionen, Solvothermalsynthesen oder Gasphasenabscheidungen, enorm reduzieren. Zugleich werden chemische Materialsynthesen besser steuerbar, was ebenfalls die Energie- und Rohstoffeffizienz erhöht.
Unabhängig davon eröffnen Synthesen in ILs die Möglichkeit, auch völlig neue Niedertemperaturverbindungen mit noch unbekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften erstmalig zugänglich zu machen. Tatsächlich lassen sich in diesem frühen Stadium der Forschung noch längst nicht alle wissenschaftlichen, ökonomischen und ökologischen Implikationen abschätzen. Somit sind die Ziele des Schwerpunktprogramms:
(1) Etablierung IL-basierter ressourceneffizienter Synthesen für bekannte Funktionsmaterialien,
(2) Entdeckung neuartiger, auch unorthodoxer Funktionsmaterialien, die nur durch die Synthesen nahe Raumtemperatur in ILs zugänglich sind,
(3) Verständnis der Prinzipien von Auflösung, Reaktion und Abscheidung anorganischer Feststoffe in ILs.
Solarzellen aus III- V Halbleitern erreichen heute weltweit mit über 46 % die höchsten Umwandlungseffizienzen und finden industrielle Anwendung in Satelliten und in Konzentrator- PV Systemen. Als Ausgangsverbindungen werden Trimethylindium und Trimethylgallium als sogenannte 'Metallorganische Quellen' eingesetzt. Diese machen die Hälfte der Epitaxiekosten des Herstellprozesses aus. Zur Reduktion der Epitaxiekosten bietet sich das sogenannte 'Liquid- Indium' als hochreine Indium-Quelle an. Dazu soll ein produktionstauglicher Prozess für die Darstellung von Trimethylindium mittels eines Hochdruckverfahren und die folgende Umsetzung zum Liquid-Indium etabliert werden, was die Aufreinigung auf eine hochreine, epitaxietaugliche Qualität inklusive der analytischen Verfahren beinhaltet. Die Grundlage bieten dabei die Ergebnisse aus dem vorhergegangen KoReMo Projekt. Das Ziel des Teilprojektes für Dockweiler Chemicals stellt die Etablierung dieses großskaligen Produktionsprozesses dar, um bei den Projektpartnern das hochreine Material in der metallorganischen Gasphasenepitaxie einzusetzen.