Bioinspirierte Strukturierung

Bei der bioinspirierten Synthese werden verschiedene Nanostrukturen (Partikel, Fasern oder Schichten) zu biomimetischen Architekturen zusammengefügt, die dann in makroskopische Geräte integriert werden können, die beispielsweise für Energiespeichersysteme, künstliche Muskeln sowie Sensoren geeignet sind.

Papierähnliche Materialien für Metallionenbatterien

Die Motivation für unsere Forschung ist der Bedarf an besseren Batterien, der von der rasanten Entwicklung in den Bereichen Mobilität und nachhaltige Energiespeicherung angetrieben wird, die eine hohe Leistungsdichte, eine schnelle Ladegeschwindigkeit und eine lange Lebensdauer von mehreren Jahren erfordern. Um diese Anforderungen zu erfüllen, forsche wir intensiv, um Strategien zur weiteren Verbesserung von Metallionenbatterien zu finden oder alternative Batterietypen zu entwickeln.Während der Schwerpunkt der Batterieforschung auf der Verbesserung der Elektrodenchemie lag, ist die Optimierung der Elektrodenstruktur im Mikro- und Nanobereich umso wichtiger. Letzteres erfordert die Nanostrukturierung und Ausrichtung der verschiedenen Komponenten, für die die Kombination von Materialdesign und Elektrochemie unerlässlich ist. 

Der materialwissenschaftliche Input ist die Übertragung der Strukturkonzepte von Biomaterialien auf die Elektroden, was zu selbsttragenden und bindemittelfreien Elektroden (im Gegensatz zu herkömmlichen Elektroden) in Form von Mikrometer dickem flexiblem Papier führt. Solche Papiere weisen eine hohe mechanische Flexibilität auf, wie das Video zeigt:

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Zusammenstellung unserer bioinspirierten, papierähnlichen Materialien (Bild in der Mitte). REM-Aufnahmen von Querschnitten papierartiger Materialien, die aus (a) Graphenoxid (GO), (b) Cellulose, (c) V2O5-Nanofasern, (d) LiMnPO4-Nanoplättchen / GO und (e) SnO2-Nanoplättchen / GO selbstorganisiert sind.

Die neuartigen Elektroden umfassen eine Wechselschichtarchitektur, die anorganische Nanostrukturen (SnO2-Nanodrähte, V2O5-Nanofasern oder LiMnPO4-Nanoplättchen) als Metallionenspeichereinheiten mit Graphenschichten als Ladungstransportelemente mit hoher mechanischer Flexibilität und chemischer Stabilität kombiniert. Während die Wechselschichtstruktur so ausgelegt ist, dass die Spannungsverteilung zwischen den beiden Komponenten erleichtert wird, ist die gute elektrische Leitfähigkeit des Graphens ideal geeignet, um die Lade-Entlade-Kinetik zu verbessern.

Die Hauptaufgabe besteht darin, die mechanische und elektrochemische Leistung der Elektroden zu untersuchen. Zudem das Verhältnis zwischen der anorganischen und der Graphenschicht, die Mikrostruktur und Morphologie dieser Schichten sowie die Grenzflächenkopplung zwischen ihnen zu charakterisieren. Unsere neuartigen papierähnlichen Elektroden sind für verschiedene Metallionenbatterien, bei denen eine hohe Energiedichte, Geschwindigkeitsfähigkeit und Zyklenstabilität angestrebt werden, sehr vielversprechend.

  1. Z. Burghard, A. Leinweber, P. A. van Aken, T. Dufaux, M. Burghard and Joachim Bill, Hydrogen-Bond Reinforced Vanadia Nanofiber Paper of High Stiffnes, Advanced Materials, 25, 2013.
  2. B. Wicklein, A. M. Diem, A. Knöller, M. S. Cavalcante, L. Bergström, J. Bill and Z. Burghard, Dual-Fiber Approach toward Flexible Multifunctional Hybrid Materials, Advanced Functional Materials, 28, 2017.
  3. A. Knöller, C. P. Lampa, F. von Cube, T. H. Zeng, D. C. Bell, M. S. Dresselhaus, Z. Burghard and J. Bill, Strengthening of Ceramic-based Artificial Nacre via Synergistic Interactions of 1D Vanadium Pentoxide and 2D Graphene Oxide Building Blocks, Scientific Reports, 7, 2017.
  4. A. M. Diem, A. Knöller, Z. Burghard and J. Bill, Free-Standing Nanostructured Vanadium Pentoxide Films for Metal-Ion Batteries, Nanoscale, 10, 2018.
  5. T. Jahnke, A. Knöller, S. Kilper, D. Rothenstein, M. Widenmeyer, Z. Burghard and J. Bill, Coalescence in Hybrid Materials: The Key to High-Capacity Electrodes, ACS Applied Energy Materials, 1, 2018.

 

 

Poröse Gerüste, inspiriert von Schulp (Cuttlebone)

Mikroskopische Struktur des natürlichen und künstlichen Cuttlebones (V2O5-Gerüsts) (c)
Mikroskopische Struktur des natürlichen und künstlichen Cuttlebones (V2O5-Gerüsts). REM-Aufnahmen zeigen die enge Ähnlichkeit zwischen dem porösen V2O5-Gerüst und dem Cuttlebone mit seinen regelmäßigen Lamellen und gleichmäßig verteilten Säulen.

Es besteht ein zunehmendes Interesse an leichten Funktionsmaterialien, die für die Bereiche Sensoren, Filterung, Gasverteilung, Schall- und Wärmeisolatoren, Katalysatoren oder Energiespeicherung und -umwandlung geeignet sind. In dieser Arbeit soll die Architektur des Cuttlebones, einem hochleistungsfähigen strukturellen Biomaterial, vollständig in ein einkomponentiges Gerüst auf Keramikbasis umgesetzt werden, das eine hohe spezifische Oberfläche mit hoher Flexibilität und guter mechanischer Stabilität kombiniert. Die Grundidee besteht darin, durch Einfrieren von wässrigen Suspension und anschließendes Entfernen der Eiskristalle durch Sublimation eine Porosität zu erhalten, die eine Nachbildung der Eiskristalle darstellt.

Mit diesem „Ice-Templating“-Ansatz ist es uns gelungen, Gerüste auf V2O5-Basis mit Millimeterdimensionen und einer extrem hohen Porosität von 99,8% herzustellen. Ihre Mikrostruktur zeichnet sich durch eine hochgeordnete Struktur aus gestapelten Lamellen aus. Für ein Keramikmaterial außergewöhnlich, verformen sich die Gerüststrukturen unter Kompression, wie die beiden Videos zeigen. Anstatt spröde zu quetschen, knicken die Gerüstwände elastisch ein. Dieses Verhalten ist nicht nur auf die komplexe Architektur zurückzuführen, sondern auch auf die hohe Flexibilität der Nanofasern, die sich biegen, ohne zu brechen

Dieses neuartige bioinspirierte, funktionelle Material weist nicht nur ungewöhnliche mechanische Eigenschaften auf, sondern die Multifunktionalität der V2O5-Nanofasern ermöglicht auch ihre Anwendungen, einschließlich Katalysatoren, Sensoren und Elektroden für die Energiespeicherung.

  1. A. Knöller, T. Runčevski, R. E. Dinnebier, J. Bill and Z. Burghard, Cuttelbone-like V2O5 Nanofibre Scaffolds – Advances in Strucutring Cellular Solids, Scientific Reports, 7, 2017.
  2. A. Knöller, S. Kilper, A. M. Diem, M. Widenmeyer, T. Runčevski, R. E. Dinnebier, J. Bill and Z. Burghard, Ultrahigh Damping Capacities in Lighwight Structural Materials, Nano Letter, 18, 2018.

Kontakt

Zaklina Burghard
Dr.

Zaklina Burghard

Gruppenleiterin

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